Università degli Studi di Trento
Facoltà di Ingegneria dei Materiali
ALLUMINIO,
PROCESSI DI PRODUZIONE
INNOVATIVI
E TECNOLOGIE MECCANICHE
Francesco Zanatta 1975IM
Corso di Metallurgia dei Metalli non Ferrosi
Prof. Diego Colombo
a.a. 2002/2003
Università degli Studi di Trento - Facoltà di Ingegneria
ALLUMINIO
ORIGINI E STORIA
L'alluminio è l'elemento metallico più abbondante sulla terra e costituisce circa l' 8,5%
della litosfera o crosta terrestre; tuttavia, non essendo un elemento abbastanza inerte
chimicamente, non lo si può trovare in natura allo stato libero ma solamente combinato
con ossigeno e vari minerali, principalmente sotto forma di silicati e di ossido di
alluminio (Al2 O3 ).
Fra i silicati il più noto è il caolino, costituente principale delle argille comunemente
usate per le ceramiche.
Il minerale che contiene l'ossido, per circa il 50%, è la BAUXITE; l'ossido puro
cristallizzato è il corindone incolore (cristallo che segue subito il diamante nella scala
della durezza), quando i cristalli di corindone sono colorati per impurità metalliche si
hanno: rubino, zaffiro, smeraldo - topazio - ametista d'oriente.
L' alluminio deriva il suo nome da Alum, più tardi allume, che è un solfato di alluminio da
millenni conosciuto ed utilizzato per la preparazione dei colori; trovò poi ulteriori
applicazioni come astringente per la cura della pelle ed alla fabbricazione delle comuni
matite emostatiche.
Fino alla metà del 18° secolo l'esistenza dell'alluminio come metallo rimase però
sconosciuta, fino a quando il chimico tedesco Andres Marggraf usò l'allume per produrre
il primo ossido di alluminio od allumina. Questa scoperta fu importante perché fornì la
prova che l'allume conteneva un metallo sconosciuto.
Solo nel 1825 Hans Cristian Oersted riuscì a produrre alcune gocce di alluminio, le
ricerche furono portate avanti da un suo discepolo Freidirich Wohler, ma bisogna
arrivare intorno al 1840 perché si riuscissero ad ottenere delle piccole lamine di
alluminio che consentirono di poter stabilire le caratteristiche di malleabilità e
leggerezza di questo nuovo metallo.
Nel 1850 l'alluminio era ancora prodotto unicamente in laboratorio con procedimenti di
riduzione dell'ossido che dovevano compiersi in crogioli di platino ed usando il potassio,
molto costoso, così che il prezzo dell'alluminio prodotto aveva un costo di gran lunga
superiore a quello dell'oro.
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Il metodo finora usato per la produzione, anche se in seguito migliorato, non consentiva
la produzione a carattere industriale ed occorre arrivare al 1886 perché l'americano
Charles Martin Hall scoprisse il primo metodo elettrolitico pratico, per produrre
l'alluminio in forti quantitativi.
Il suo metodo prevedeva il passaggio della corrente elettrica da un elettrodo positivo di
carbone (anodo) attraverso il bagno fuso di allumina sciolta nella criolite; (un clorito di
sodio che si trovava solo in Groenlandia, la capacità della criolite di solubilizzare l'ossido
ne eliminava così la costosa operazione di riduzione in sale); all'elettrodo negativo di
carbone (catodo) che era costituito dal crogiolo.
La corrente elettrica scomponeva l'allumina in alluminio metallico che si depositava sul
fondo del crogiolo ed ossigeno che si combinava con l'anodo di carbone sviluppando
monossido o biossido di carbonio.
Questo metodo consentì la produzione in forti quantità ed a costi bassi grazie anche agli
enormi progressi che si erano intanto venuti a creare per la produzione di energia
elettrica per mezzo delle moderne dinamo.
La casualità volle che nello stesso momento in Francia un giovane scienziato, Paul
Heroult, lavorasse in modo indipendente per sviluppare un processo identico, pur non
essendo nessuno dei due a conoscenza dei rispettivi esperimenti.
Le casualità non finiscono qui: i due scienziati erano nati lo stesso giorno, brevettarono
insieme le loro scoperte e morirono lo stesso giorno!!
Così Hall ed Heroult ricevettero il brevetto ed il diritto di sfruttamento
rispettivamente il primo negli Stati Uniti ed il secondo in Francia.
Più tardi venne dato il nome congiunto di Hall - Heroult a tale metodo che, pur nei vari
miglioramenti, è rimasto fino ad oggi il sistema di produzione usato per la produzione
dell'alluminio.
A distanza di oltre un secolo, l'alluminio è oggi fra i metalli secondo come importanza
solamente all'acciaio, con una produzione annua complessiva di circa 10 milioni di
tonnellate; L'Italia rappresenta il secondo Paese in Europa per produzione - con oltre
370.000 tonnellate annue - e per consumo (il primo è la Germania) con un tasso di
crescita del 7,5% in dieci anni (contro il +4,5% dei tedeschi).
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UTILIZZO
Esso trova impiego in tutti i principali settori, da quelli più sofisticati come elettronica o
industria aerospaziale, a quelli più comuni, in oggetti che vanno da porte e finestre, fino
a ruote per auto, o ferri di cavallo, eccetera (figura 1).
La vastità delle applicazioni dell'alluminio si deve al fatto che si tratta di un metallo
dotato di specifiche qualità tecnologiche: la leggerezza (addirittura un terzo
dell'acciaio), conducibilità elettrica (è secondo solo al rame) e termica, caratteristiche
meccaniche esaltate dalla ampia possibilità di costituire leghe, resistenza agli agenti
atmosferici, plasticità, deformabilità, inalterabilità al contatto degli alimenti (e di quasi
tutti i liquidi) e, non ultime, indiscusse doti estetiche e di colore che conferiscono agli
oggetti realizzati in alluminio un inconfondibile e suggestivo aspetto hi -tech.
Figura 1: alcuni componenti in alluminio
La duttilità e la malleabilità, in particolare, consentono la produzione di estrusi e
profilati che possono essere impiegati nei più svariati settori. I profilati e gli estrusi in
alluminio, che fra l'altro vantano migliori caratteristiche meccaniche rispetto al
pressofuso, consentono infatti - grazie alla possibilità di ottenere agevolmente elementi
della lunghezza desiderata - il massimo grado di componibilità modulare, un assemblaggio
rapido e semplice, oltre alle consuete grandi flessibilità e robustezza.
Nel settore del design, in particolare, la possibilità di rivestire e impiallacciare
l'alluminio con materiali di vario genere rende le possibilità di impiego pressoché
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illimitate. L'uso di materiali plastici o sottili fogli di legno garantisce l'effetto estetico
desiderato mentre la sagoma conferita al semilavorato agevola in maniera determinante
l'assemblaggio.
Il design ha saputo trarre dall'alluminio forme e applicazioni di particolare effetto.
Il sofisticato livello raggiunto nell'utilizzo dell'alluminio ha modificato anche il ruolo
dell'estrusore, che si configura non solo più fornitore di profilati, ma di tecnologia e
servizio totale all'utente.
Da non sottovalutare poi come sia in continua crescita anche il settore del riciclato: ogni
anno in Italia 400.000 tonnellate di alluminio usato vengono trasformate e riutilizzate in
quasi tutti i settori quali l'estrusione, la pressofusione, la laminazione, e per molti altri
impieghi dell'industria.
Esempi interessanti che testimoniano come l'alluminio riciclato stia acquistando sempre
più importanza sono l'industria automobilistica e quella delle lattine, che ne fanno un uso
sempre più consistente: addirittura la lattina, la cui raccolta post consumo si attesta nel
nostro Paese adesso attorno al 30%, è ormai quotata nei listini prezzi delle Camere di
commercio. Leggero, duttile, buon conduttore di calore, inalterabile dagli agenti
atmosferici: oggi l'alluminio trova impiego in innumerevoli applicazioni nel mondo
industriale.
CARATTERISTICHE
Tra le svariate caratteristiche di questo metallo possiamo annoverare:
•
RESISTENZA MECCANICA: Nel loro insieme, le leghe di alluminio offrono una
gamma di resistenze meccaniche che va da 60 a 530 N(Newton)/mmq e cioè da quella
del piombo fino alla resistenza dell'acciaio in lega. Un elemento di alluminio può
sostituirne uno di acciaio con notevole diminuzione di peso. Mediamente si può
ipotizzare un risparmio di peso pari al 50-60% per profilati aventi le stesse
caratteristiche meccaniche di quelli in acciaio
•
RESISTENZA ALLA CORROSIONE: L'utilità di un qualunque metallo è limitata se
non possiede una certa resistenza alla corrosione.Anche la resistenza alla corrosione
è una proprietà relativa; quella dell'alluminio ha dei valori elevati rispetto a quella
dell'acciaio a basso tenore di carbonio ed in alcuni casi è superiore anche a quella
dell'acciaio inossidabile.
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Il rame resiste all'attacco di alcuni agenti chimici ai quali l'alluminio è sensibile ma in
altri casi la resistenza dell'alluminio è superiore a quella del rame. In generale
l'alluminio resiste meglio alla maggior parte degli agenti chimici ed è considerato il
metallo più economico che abbia una elevata resistenza alla corrosione.
Ugualmente le leghe di alluminio mantengono in genere tale caratteristica in
atmosfera industriale e rurale, ma solamente le leghe ad alta purezza , o quelle al
magnesio od al magnesio-silicio, dimostrano una elevata resistenza all'atmosfera
marina ed all'acqua salata. Non sono raccomandabili le leghe con alto tenore di rame
per usi navali o per applicazioni vicino al mare
•
RIFLETTIVITA’: L'alta riflettività favorisce l'impiego dell'alluminio nel settore
dell'illuminazione, per la costruzione dei corpi riflettori. Ampio uso viene anche fatto
nelle costruzioni civili ed industriali per la sua alta capacità di riflettere il calore ed i
raggi infrarossi.
La capacità di riflessione dell'alluminio varia secondo la lunghezza d'onda
dell'energia e le condizioni della superficie del metallo e passa dal 75% per i raggi
ultravioletti all'85% per i raggi visibili, fino al 95% per i raggi infrarossi.
•
CONDUTTIVITA’ TERMICA: L'alluminio ha una elevata conducibilità termica
rispetto ad altri comuni materiali, come si può vedere dalla seguente tabella,
considerando la conduttività dell'alluminio come base unitaria:
Alluminio (commercialmente puro) 1.00
Magnesio 0.35
Rame 1.70
Acciaio 0.25
Titanio 0.12
La costruzione dei radiatori termici dove tale caratteristica assume un'importanza
fondamentale offre perciò una grande potenzialità all'uso dell'alluminio.
•
AMAGNETICITA’: Per ogni impiego pratico, l'alluminio e le sue leghe sono da
considerare amagnetici. Sfruttando tale proprietà, venne subito usato per le sale
comando delle navi non portando ad alcuna variazione nella lettura della bussola e nei
rilevamenti. In molti settori dell'elettronica vi è una crescente richiesta proprio per
questa sua caratteristica.
•
ATOSSICITA’: L'alluminio ed i suoi sali sono completamente atossici.
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•
NON GENERA SCINTILLE: Al contrario dei metalli ferrosi, l'alluminio non genera
scintille quando viene strofinato con altri metalli, per tale motivo viene preferito
evidentemente nei settori degli infiammabili ed esplosivi.
•
LAVORABILITA’: L'alluminio ha una eccellente lavorabilità, ossia le sue proprietà
tecnologiche, come si vedrà in seguito, lo rendono particolarmente atto a subire tutti
i processi di lavorazione meccanica per l'ottenimento di prodotti trasformati delle
più varie fogge.
Può essere lavorato a caldo od a freddo, può essere estruso e pressofuso in una
grande varietà di forme con tolleranze minime dimensionali, può essere laminato in
spessori sottilissimi fino a meno di 0,005 mm.. Inoltre può essere brasato, saldato od
unito con tutti i normali sistemi meccanici.
Gli estrusi rappresentano la parte preponderante dei semilavorati ottenibili con
l'alluminio, il processo dell'estrusione in cui il materiale per compressione viene fatto
passare attraverso i fori di una matrice, garantisce una grande libertà progettuale,
una notevole rapidità ed economicità di produzione.
Nel campo delle strutture si possono perciò realizzare profili con vantaggio
ineguagliabile, studiando opportunamente le sezioni, in modo da disporre il metallo
nelle zone di maggior sollecitazione e con forme tali da favorire le successive
lavorazioni ed applicazioni di ulteriori accessori. Proprio per questo il suo uso
aumenta costantemente nel campo dell'edilizia industrializzata e nelle applicazioni
più esaltanti dell'architettura moderna.
•
ASPETTO: Non disgiunto dalle caratteristiche fin quì elencate un aspetto gradevole
del materiale che ne favorisce la sua applicazione .L'alluminio è un metallo bianco ed
inoltre si presta ad essere trattato con una gamma vastissima di finiture superficiali.
Tali trattamenti possono essere chimici, meccanici, galvanici, organici, elettrolitici, di
verniciatura, di ricopertura con materie plastiche. Nessun altro materiale può essere
rifinito con tanti procedimenti ed essere ottenuto con aspetti così diversi, tutti di
grande effetto estetico.
•
RICUPERABILITA’: Il valore di ricupero o valore di rottame è per l'alluminio molto
elevato e questo grazie al fatto della sua praticamente inesauribile fonte di
approvvigionamento, lo fa preferire nella scelta anche se il costo di produzione
iniziale risulta più alto rispetto ad altri metalli.
La varietà dei manufatti di cui l'alluminio è il materiale tipico in relazione alle
caratteristiche risulta difficilmente enumerabile, ne diamo tuttavia una rapida e
sicuramente incompleta panoramica:
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Carrozzerie per autoveicoli
Silos
Condutture
Coperture
Attrezzi per l'agricoltura
Vetrine per negozi
Scale, ponteggi, scaffalature
Cisterne per carburanti
Furgonature
Cisterne per prodotti chimici
Mobili Grigliati ed aeratori
Rampe di carico
Prodotti per allevamenti
Strutture aeronautiche
Distributori automatici
Porte per garage e
capannoni
Apparecchiature per
illuminazione
Imbarcazioni e chiatte
Isolamenti termici
Cestelli
Rivestimenti di pareti
Carrozzine per bambini
Carrozzine per portatori handicap
Scambiatori di calore
Ponti comando di navi
Pentolame
Cartellonistica stradale
Lattine per bevande
Strutture arredamento urbano
Contenitori per alimenti
Accessori automobilistici
Rotori per motori elettrici
Pali illuminazione
Cavi elettrici e barre di
connessione
Tubazioni
Condensatori e telai per
apparecchiature elettriche
LEGHE
Sebbene l'alluminio puro sia molto tenero e duttile, può tuttavia raggiungere una
notevole resistenza alla trazione e migliorare le altre caratteristiche meccaniche con la
lavorazione a freddo, i trattamenti termici e con l'alligazione, ossia la miscelazione con
altri metalli per esaltare le caratteristiche del metallo di base.
Vi sono due categorie principali di leghe:
1) leghe da fonderia
2) leghe da lavorazione plastica.
Le leghe da fonderia sono quelle usate per prodotti la cui forma non viene cambiata dopo
la colata negli stampi e la successiva solidificazione.
Le leghe da lavorazione plastica dopo la solidificazione sono quelle che subiranno dellle
variazione di forma mediante lavorazione meccanica, ed in particolare a queste ci
riferiremo per una maggiore conoscenza delle caratteristiche.
LEGHE DA LAVORAZIONE PLASTICA
Il rame (Cu), il silicio (Si), il manganese (Mn), e zinco (Zn) sono gli elementi di alligazione
maggiormente usati con l'alluminio insieme ad altri per ottenere leghe di particolari
caratteristiche. Tale gamma si compone di almeno cento differenti tipi anche se le
produzioni si concentrano su 15-20 di maggior uso.
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La loro designazione si basa su una serie di quattro numeri adottata dalla ALLUMINUM
ASSOCIATION -AA- (USA) ed oggi universalmente adottata insieme alle singole
normative nazionali.
Tale designazione è cosi strutturata:
1000 alluminio da un minimo del 99%
2000 alligante: rame , Cu
3000 alligante: manganese , Mn
4000 alligante: silicio , Si
5000 alligante: magnesio , Mg
6000 alligante: magnesio + silicio
7000 alligante: zinco , Zn
8000 alligante: ferro Fe + silicio
Le serie da 2000 ad 8000 raggruppano le leghe secondo i loro principali costituenti, la
prima cifra indica i principali alliganti, la seconda indica eventuali modifiche della lega e
delle impurezze, le ultime due servono a differenziare una lega dalle altre dello stesso
gruppo.
LEGHE DELLA SERIE 6000
Le leghe della serie 6000 sono quelle al Mg + Si e costituiscono per la loro temprabilità
alla pressa e le loro caratteristiche le più usate per l'ottenimento di profilati estrusi. In
particolare nel campo dei serramenti la lega prevalentemente usata è la 6060 (UNI
3569) che garantisce dopo il processo di anodizzazione uniformità di colorazione e
lucentezza.
Le caratteristiche meccaniche di questa serie previste dalle norme UNI sono le
seguenti:
2
R kg/mm
2
S (0,2) kg/mm
19 - 26
15 - 21
A5%
HB
11 - 18
50 - 70
carico di rottura
carico al limite di
snervamento
allungamento
durezza Brinnell
Si riportano anche nella seguente tabella le principali leghe da lavorazione plastica:
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UNI
AA
AFNOR
NORME DIN
NORME BS
ITALIA
U.S.A
FRANCIA
GERMANIA
REGNO UNITO
AP0
AP5
AP7
AP8
3567.66
4507
4508
4509
1200
1050
1070
1080
A4
A5
_
A8
AL_99
AL_99,5
AL_99,7
AL_99,8
1C
1B
_
1A
AM100
*
3568
6361.68
3003
3304
A-M1
A-M1G
AL-MN
AL-MG-MN
N3
_
AC_63
*
AD051
AC100
AC061
TM12
*
3569.66
6359.66
3570
3571
6170.66
3572
(9006.6)
6063
6463
6101
6082
6061
4032
6005A
A-GS
A-G-S/L
A-S-G-M
_
A-S-12-UN
ASG-0,5
AL-MG-SI_0,5
E-AL-MG-SI_0,5
AL-MG-SI-1
_
_
AL-MG-SI-0,7
H9
BT3
E91E
H30
H20
DTD-324A
AX09
RL050
PE080
PE150
PE250
PE350
PE440
PE500
4510
4512
5764.66
3573
3574
3575
5452
3676
_
5007
5005
5050
5052
5154
5083
5056
A9-G1
_
A-G0,6
A-G1
_
A-G3
A-G4
A-G5
AL99,9-MG1
AL-R-MG0,5
AL-MG1
_
_
_
_
AL-MG5
_
BT4
_
_
N4
N5
N8
N6
Avional050
Duralite35
AV050
DU35
3577
3578
2117
_
A-U-2G
_
AL-CU-MG0,5
_
L86
Avional100
Chitonal100
Avional660
Chitonal660
Avional150
Chitonal150
Recidal11
AV100
CT100
AV660
CT660
AV150
CT150
RC11
3579
3580
3581
3582
3583
3584
6362.66
2017
_
2014
_
2024
Alclad-2024
2011
A-U-4G
AU4Gplaqué
AU4SG
AU4SGplaqué
AU4G1
AU4G1plaqué
_
AL-CU-MG1
AL-CU-MG1pl
_
_
AL-CU-MG2
AL-CU-MG2-pl
H14
H14clad
H15
H15clad
DTD5090
DTD5090clad
Ergal55
EG55
3735
7075
AZ5GU
AL-ZN-MG-CU1,5
Ergaplast55
EP55
3736
Alclad
7075
AZ5GUplaqué
Ergal65
EG65
3737
_
AZ8GU
Ergaplast65
EP65
3738
_
AZ8GUplaqué
ALLUMINIO_PURO
Alluminio99
Alluminio99,5
Alluminio99,7
Alluminio99,8
LEGHE_AL-MN
ALUMAN100
3004
LEGHE_AL-SI
Anticorodal063
BRI-E
Aldrey051
Anticorodal100
Anticorodal061
Termanal12
*
LEGHEALMG
Anoxidal09
Reflectal050
Peraluman080
Peraluman150
Peraluman250
Peraluman350
Peraluman440
Peraluman500
LEGHE_AL_ZN
LEGHE_AL_ZN
ALZNMGCU 1,5pl
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PROCESSI DI PRODUZIONE INNOVATIVI
PRESSOFUSIONE
Il processo della pressofusione è una tecnica di trasformazione dei metalli
relativamente recente. Le prime presse per pressofusione risalgono al secolo scorso.
Questo metodo permette di ottenere pezzi metallici in modo veloce e con un buon grado
di finitura.
Il processo consiste nel colare in uno stampo una lega metallica e quindi portarla ad alte
pressioni (figura 3.0). Questo comporta alcuni vantaggi che non si possono ottenere con
la sola fusione.
Figura 3.0: riempimento della cavità dello stampo
Si ha un velocissimo e perfetto riempimento della cavità dello stampo e anche un’ottima
finitura cristallina.
Un ruolo fondamentale in tutto il processo lo ha lo stampo che sarà soggetto ad elevate
pressioni e shock termici.
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Le leghe più adatte alla produzione di pezzi per pressofusione saranno in
particolarmente le leghe bassofondenti: alluminio e sue leghe (AlSi, AlSiCu, AlMg), zinco
e sue leghe (zama), rame e sue leghe (ottone, bronzo), magnesio e sue leghe (AZ), stagno
e sue leghe. Metalli ad alto punto di fusione necessiterebbero di uno stampo e un
sistema troppo complicato e costoso.
Per ciò che riguarda i costi, generalmente la pressofusione utilizza impianti di
produzione di serie dal costo elevato. Questi però vengono ammortizzati se si riesce a
mantenere un’elevata produttività di pezzi.
Possiamo aggiungere che in tempi recenti si è tentato di produrre per pressocolata
anche manufatti in leghe ferrose, il cui sviluppo è tuttavia frenato da difficoltà
connesse alle elevate temperature richieste dalla fusione di esse, fatto questo che
comporta un'insoddisfacente durata degli stampi. Ci si addentrerà ora in maniera più
approfondita su altre tecniche di più recente sviluppo e dalle prospettive più fiorenti.
SQUEEZE CASTING
Il processo di squeeze casting può esser considerato, con una semplificazione ben nota,
come una forgiatura eseguita su una lega allo stato fuso. Le fasi del processo sono
essenzialmente:
1. colata di una quantità prefissata di metallo fuso nella cavità di uno stampo
preriscaldato montato sul piano di un pressa idraulica.
2. chiusura della cavità e rapida messa in pressione del metallo liquido.
3. mantenimento del metallo sotto pressione fino a solidificazione completa.
4. ritiro del punzone ed espulsione del getto.
Esistono due tipologie fondamentali di squeeze casting, a seconda che la pressione venga
direttamente applicata al pezzo in solidificazione dal punzone, direc t squeeze casting
(figura 3.1), o venga applicata per il tramite di un sistema di alimentazione intermedio,
indirect squeeze casting (figura 3.2).
La caratteristica del processo è evidentemente l'applicazione di pressione mentre la
lega sta solidificando.
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Figura 3.1: Schema del processo di squeeze casting diretto
Figura 3.2: Schema del processo di squeeze casting indiretto
L'effetto dell'applicazione della pressione durante la solidificazione si può determinare
con l'equazione di Clausius-Clapeyron:
 ∆H f
P = P0 ⋅ exp  −
 R ⋅T
f





Queste previsioni teoriche sono state verificate sperimentalmente, trovando che la
temperatura del liquidus sale di 98 °C per leghe binarie pure Al-Si sotto una pressione
di 150 MPa; inoltre, il punto eutettico si sposta verso sinistra, cioè verso tenori più alti
di Si.
Il diagramma di fase Al-Si modificato dalla pressione è riportato nella figura 3.3.
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Figura 3.3: Effetto del rapido raffreddamento e dell'applicazione di pressione (1000 bar) sul diagramma
di fase Al-Si.
Il flusso di calore viene notevolmente accelerato; infatti, la pressione genera un ottimo
contatto tra il getto di lega e la parete dello stampo. Il risultato è un maggiore
coefficiente di trasmissione termica, ossia l'aumento della velocità di raffreddamento.
Tabella 1: Tempi di solidificazione della lega 7050 colata per gravità e con squeeze-casting indiretto, al
variare dello spessore.
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Un esempio è riportato nella tabella 1, dove sono messi a confronto i tempi di
solidificazione della lega AA7050 colata a gravità e per squeeze-casting. La
conseguenza ovvia è l'affinamento del grano.
In seguito all'applicazione di pressione in solidificazione, i provini da squeeze-casting
hanno microstruttura più fine (le dimensioni medie del grano passano da 48 a 12 mm),
senza cavità da microritiro, porosità o altri difetti. Inoltre, la pressione contribuisce
significativamente ad evitare porosità da micro e macroritiro per via di un'alimentazione
più efficiente durante la solidificazione.
Va detto anche che si possono avere effetti positivi sulla porosità da gas: la pressione
fa aumentare la solubilità dei gas in leghe e metalli allo stato solido.
Riassumendo, l'applicazione sul getto di una pressione ben distribuita durante la
solidificazione fa migliorare la qualità metallurgica del componente e conseguentemente
le caratteristiche meccaniche. Vi sono comunque altri vantaggi.
Anzitutto, questa buona qualità metallurgica (e particolarmente l'assenza di porosità)
consente il trattamento termico dei getti, impossibile su componenti pressocolati con
metodologie convenzionali, e il loro impiego in strutture saldate.
L'uso della pressione, con il suo effetto positivo sull'alimentazione del metallo,
permette inoltre di impiegare in fonderia leghe generalmente non adatte ai getti. In
altri termini, come risulta d'altronde dagli esempi già illustrati, è possibile colare leghe
dei gruppi 2xxx, 6xxx e 7xxx, rendendo così disponibili getti in lega leggera ad alta
resistenza.
L'effetto positivo della pressione sulla qualità metallurgica migliora anche la resistenza
a usura della lega.
Generalmente, lo squeeze casting si usa per produrre in grande serie componenti in
leghe di alluminio. Se per un determinato impiego occorrono componenti relativamente
piccoli di geometria ben definita, il processo offre altri vantaggi, come l'eccellente
finitura superficiale e la minor quantità di metallo necessaria rispetto alla forgiatura a
caldo o alle tecnologie tradizionali di fonderia.
Altri esempi di applicazione si trovano per leghe a base di magnesio e di rame.
Diverse attività di ricerca e sviluppo sono in corso per leghe ferrose e compositi a
matrice metallica.
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PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO
Le elevate velocità raggiunte dalla lega liquida, unitamente alla complessità geometrica
della cavità da riempire, determinano condizioni di notevole turbolenza.
In tal modo, l'aria e i gas presenti nella cavità possono facilmente venire intrappolati dal
fronte di avanzamento liquido, e non sempre la presenza dei pozzetti è sufficiente a
limitare o a "portare" fuori dal pezzo questa tipologia di difetti. Inoltre, l'aria,
intrappolata nella cavità stampo durante il rapido riempimento, aumenta notevolmente la
sua pressione, costituendo a tutti gli effetti un ostacolo al riempimento stesso.
Figura 3.4: Classificazione difetti nei getti pressocolati secondo Cocks.
Figura 3.5: difetti nei getti pressocolati: porosità da gas.
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Le varie classificazioni dei difetti nei getti pressocolati riportate in letteratura ben
evidenziano tali criticità (in figura 3.4 quella proposta da Cocks), menzionando la
possibile presenza di vortici, blisters, bolle gassose di varia dimensione (figura 3.5).
Alternative alla pressocolata in aria sono proposte in seguito; attualmente, i più diffusi
processi utilizzati per la pressocolata sotto vuoto per le leghe d'alluminio sono il
sistema Fondarex e il sistema Vacural.
Il sistema Fondarex (figura 3.6) è caratterizzato dal montaggio del gruppo di
aspirazione direttamente sullo stampo, con valvole ad autochiusura operative in tempi
dell'ordine dei millesimi di secondo, azionate direttamente dal flusso del metallo.
La valvola può essere posizionata sul lato o sopra lo stampo, o, laddove fattibile, sul
portastampo.
Figura 3.6: Schema del processo Fondarex, e suo esempio applicativo.
In analogia alla pressocolata convenzionale, si possono distinguere, anche per questo
sistema, tre fasi:
1) Fase d'iniezione: il pistone, alla velocità media di 0.2 m/s, percorre il tratto iniziale
della camera: non appena la cavità è isolata dall'ambiente esterno, si attiva il sistema
da vuoto, fino a raggiungere una pressione interna alla cavità stampo dell'ordine dei
200 mbar;
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2) Fase di riempimento della cavità stampo: il pistone aumenta la sua velocità fino a
circa 4 m/s; nella cavità la pressione assoluta scende ulteriormente;
3) Fase di intensificazione della pressione: il pistone esercita la sua azione sul metallo
fuso, che nel frattempo ha riempito tutta la cavità; si ha la chiusura rapida della
valvola.
Il risultato di questo metodo, come si può notare dalla linea continua del diagramma
riportato nella figura 3.7, è di ridurre notevolmente la pressione dell'aria residua
presente nella cavità stampo, rispetto al sistema tradizionale di pressocolata (linea
tratteggiata).
Tuttavia è bene precisare che non è comunque possibile ottenere l'ermeticità dello
stampo.
Figura 3.7: Confronto dell'andamento della pressione tra presso colata tradizionale e pressocolata sotto
vuoto.
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La condizione ideale sarebbe il raggiungimento di una pressione assoluta all'interno dello
stampo di 50-70 mbar; i dati menzionati dal produttore del sistema sono nell'ordine dei
150-200 mbar. Si noti comunque che i getti pressocolati migliorano apprezzabilmente le
proprie caratteristiche già per un vuoto di circa 500 mbar.
Sono stati adottati e provati vari sistemi per controllare l'evacuazione dell'aria, ma la
soluzione migliore sembra quella di agire sulla sezione del raccordo tra canale del vuoto
e serbatoio per il vuoto.
Operativamente, l'azionamento del restringimento della sezione può avvenire secondo
vari "gradi"; il tempo di evacuazione (definito come t2 in figura 3.7) è completato alla
fine del riempimento, ed è suddiviso in 3 parti (F1, F2, F3), ognuna caratterizzata da un
opportuno fattore di restrizione. Sono possibili ovviamente varie configurazioni,
combinando i suddetti fattori.
La flessibilità per cui il sistema descritto può essere adattato ad attrezzature
preesistenti senza richiedere costose modifiche è sicuramente una delle sue principali
qualità.
Il processo Vacural (figura 3.8) consiste invece nell'aspirazione del metallo fuso
direttamente dal forno d'attesa con la formazione del vuoto non solo nella cavità dello
stampo (ovviamente dopo la sua chiusura) ma anche nella camera di iniezione.
Figura 3.8: Sistema Vacural: 1) Metallo fuso; 2) Pistone; 3) Contenitore; 4) Stampo; 5) Cassone a vuoto;
6) Giunzione flessibile; 7) Condotta al polmone sotto vuoto.
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In definitiva, il processo avviene secondo le seguenti cinque fasi:
1) Produzione del vuoto (mediante una pompa da vuoto, un "serbatoio" ed una valvola);
2) Riempimento della camera d'iniezione;
3) Rimozione dei gas durante il processo di alimentazione del metallo;
4) Riempimento dello stampo con il metallo fuso sotto la spinta del pistone d'iniezione
(ovviamente in condizioni di vuoto);
5) Solidificazione del metallo sotto pressione.
Il processo garantisce l'uniformità del vuoto all'interno della cavità dello stampo.
Si possono pressocolare anche le leghe normalmente utilizzate per le colate in sabbia e
in conchiglia, ottenendo getti a pareti sottili, caratterizzati da alta qualità superficiale
e da un'ottima accuratezza dimensionale. Il fatto di "aspirare" il metallo al di sotto
della superficie del bagno minimizza l'intrappolamento di film di ossido.
Questi innegabili vantaggi presentano però alcuni risvolti meno positivi, come un certo
allungamento del tempo di ciclo, la necessità di un impianto d'aspirazione di maggiore
capacità e di un contenitore speciale, il dover utilizzare un forno di costruzione
particolare (materiali adatti a minimizzare l'usura del tubo d'aspirazione e ad
incrementare la vita utile della camera di colata)
I VANTAGGI DIRETTI DELLA PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO
Sono innegabili (e sufficientemente documentati in letteratura) i vantaggi derivanti dal
passaggio dalla pressocolata convenzionale a quella sotto vuoto, vantaggi che hanno
portato alla produzione di componenti particolarmente critici.
Figura 3.9: micrografia relativa alla sezione longitudinale della superficie di frattura di un provino in lega
Al-8%Si pressocolato convenzionalmente
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La diretta conseguenza dell'impiego del sistema sotto vuoto, in base alle considerazioni
più sopra espresse, è indubbiamente la riduzione dell'entità della porosità da gas così
come visualizzato in figura 3.9 (quantificabile mediamente in un intervallo compreso tra
il 25 e il 45%).
Il processo risulta inoltre molto più stabile, con una qualità cioè più costante e
controllata rispetto alla pressocolata convenzionale.
Il conseguente incremento delle caratteristiche meccaniche (carico di rottura, carico di
snervamento, ma anche allungamento a rottura) è pertanto ovvio.
Sono inoltre citati in letteratura significativi incrementi della vita dello stampo.
I VANTAGGI INDIRETTI DELLA PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO
La possibilità di ottenere dei getti pressocolati con un contenuto estremamente ridotto
di porosità di origine gassosa offre ulteriori vantaggi.
Per i getti prodotti con la pressocolata convenzionale, un trattamento termico di
solubilizzazione, tempra e invecchiamento non è usualmente proponibile.
La solubilizzazione, da condurre a temperature superiori ai 500 °C, determina
l'espansione del gas contenuto nelle porosità, espansione che non viene adeguatamente
contrastata dal metallo circostante (a quelle temperature la resistenza è ovviamente
bassa), determinando l'insorgere di fenomeni di blistering come quelli illustrati nella
figura 3.10. La qualità dei getti pressocolati sotto vuoto li rende invece trattabili
termicamente consentendo la massimizzazione delle caratteristiche meccaniche delle
leghe impiegate (si vedano a tale riguardo i dati raccolti in tabella 2).
Figura 3.10: Stato della superficie di un getto prodotto per pressocolata convenzionale, dopo un
trattamento di solubilizzazione, tempra e invecchiamento artificiale (lega: Al-8%Si).
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Tabella 2: proprietà meccaniche di leghe Al-Si al variare del processo e del trattamento
Il contenuto minimo di gas intrappolati nella lega rende di fatto possibile un'altra
operazione solitamente preclusa ai getti pressocolati convenzionalmente: la saldatura.
Ancora una volta, il confronto tra il risultato ottenibile con la pressocolata tradizionale
e con quella sotto vuoto è inequivocabile. Da alcuni studi effettuati su leghe GDAlSi8Cu3, GD-AlSi12(Cu) e GD-AlSi10Mg si è pienamente verificata l'applicabilità di
svariati processi di saldatura (TIG, MIG, plasma-MIG, fascio elettronico) a getti
pressocolati sotto vuoto. Il contenuto massimo di gas, tale da non precludere la
saldabilità, è stato stimato intorno ai 4 standard cm3/100 g di lega
ASPETTI CRITICI
Nell'introduzione
di
una
tecnologia
innovativa,
non
bisogna
pensare
di
poter
"automaticamente" adottare le procedure e le modalità operative usualmente impiegate
con i processi tradizionali.
L'innovazione deve spingere comunque ad una miglior comprensione dell'intero processo,
per poter realizzare i vantaggi, diretti e indiretti, teoricamente ottenibili. Nel caso
della pressocolata sotto vuoto, un aspetto da tener presente è certamente il fatto che
il meccanismo di decomposizione dei lubro-distaccanti è velocizzato.
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Con l'uso del vuoto, la reazione di dissoluzione del "cuscinetto" formato da ossido
amorfo della superficie dello stampo e da agente distaccante avviene a temperature
inferiori ed in modo più accelerato. Questo va evidentemente considerato in sede di
messa a punto del ciclo produttivo. Un altro punto da tenere in assoluta considerazione è
che la minimizzazione della porosità, nei processi di pressocolata sotto vuoto, è
strettamente dipendente dal dimensionamento del sistema e dai parametri operativi.
La fase di progettazione dello stampo (includendo il posizionamento degli attacchi di
colata, dei pozzetti, dei canali per il vuoto) deve essere direttamente collegata ad uno
studio della fluidodinamica del riempimento, in modo da rendere veramente efficace il
processo e ottimizzare la qualità dei getti.
THIXOFORMING
E' un processo di formatura del materiale allo stato semi -solido, che permette di
combinare la formabilità dello stato liquido con la qualità dei pezzi formati allo stato
solido, unendo quindi, i vantaggi delle tecniche convenzionali di fonderia con quelli di
forgiatura.
E' infatti possibile, con questa tecnologia, produrre componenti di forma complessa in
una singola operazione ed avere allo stesso tempo una finitura superficiale ed
un'accuratezza dimensionale ottenibili in genere con le tecniche di pressocolata.
Inoltre, i componenti così ottenuti, presentando una microstruttura esente da difetti
(in particolare porosità), possiedono proprietà meccaniche elevate associate di solito ai
prodotti forgiati.
Il materiale allo stato semi -solido, sottoposto al processo THIXOFORMING, deve
possedere particolari caratteristiche (proprietà thixotropiche) che gli vengono
conferite tramite processi di agitazione (stir-casting) precedenti.
La formatura di materiale allo stato semi -solido, con proprietà thixotropiche, offre
numerosi vantaggi.
Per effetto della viscosità più elevata rispetta alla lega allo stato liquido, si ha un
riempimento più uniforme dello stampo con minore intrappolamento di gas e quindi, di
conseguenza, minore porosità.
L'utilizzo di materiale allo stato semi -solido consente di operare a temperature più
basse, riducendo anche le contrazioni volumetriche, e quindi la porosità conseguente ad
esse. Inoltre, solidificando il pezzo in tempi più brevi, si hanno velocità di produzione più
elevate.
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L'utilizzo di temperature più basse consente anche di limitare lo shock termico e
meccanico subito dallo stampo, aumentandone la durata, e di utilizzare anche stampi non
metallici, a minor costo.
La riduzione della temperatura di processo oltre ad essere un grosso vantaggio nel caso
di leghe ad alto punto di fusione, consente invece, nel caso dell'alluminio (a basso punto
di fusione) la formatura finita anche di leghe da lavorazione plastica.
Inoltre, la possibilità di automazione del processo unita ai minori tempi di ciclo da luogo
ad una più elevata produttività.
NUOVO METODO DI PRESSOCOLATA “Yamaha CF”
Nella pressocolata tradizionale vi sono sempre stati dei limiti per quanto riguarda la
realizzazione di pareti sottili nel getto pressofuso, rispetto alle sue dimensioni.
E' questo il motivo per cui per molto tempo nell'industria è stato difficile produrre
getti pressofusi di grandi dimensioni e spessori sottili.
Inoltre, con l'attuale tendenza a preoccuparsi degli aspetti ambientali, che ha portato
verso lo sviluppo di motori a 4 tempi ed all'applicazione di dispositivi di depurazione
degli scarichi, che aumentano sia il peso che il numero di particolari per i modelli futuri,
si pensa che i punti chiave dei processi produttivi innovativi saranno le tecnologie che
permetteranno di ridurre il peso combinate con metodi in grado di ridurre i costi ed i
consumi di carburante.
La "Tecnologia di Pressocolata dell'Alluminio Yamaha CF" (Controlled Filling, ovvero a
riempimento controllato) di recente sviluppo, è un processo che permette la produzione
in serie di particolari pressofusi in alluminio che abbiano allo stesso tempo grandi
dimensioni e pareti sottili. Si tratta quindi di una tecnologia che risponde alle esigenze
sociali del nostro tempo, permettendo la produzione di prodotti più leggeri, con un minor
numero di particolari.
Concentrandosi in particolar modo sul miglioramento delle caratteristiche del flusso del
metallo fuso quando viene colato nello stampo, la nuova tecnologia Yamaha migliora
sensibilmente la scorrevolezza del flusso nello stampo aumentando il sottovuoto
all'interno dello stampo (1), regolando la temperatura dello stampo (2) e migliorando la
velocità d'iniezione dell'alluminio fuso (3).
L'effetto combinato di questi tre accorgimenti permette la produzione in serie di getti
in alluminio di alta qualità con una percentuale di inclusioni d'aria (causa della porosità)
di circa un quinto rispetto alla pressocolata tradizionale.
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L'introduzione di questa nuova tecnologia nel processo produttivo può portare ad una
riduzione del 30% del peso dei particolari e dell'80% per quanto riguarda il numero di
particolari necessari.
Inoltre, la riduzione del volume di alluminio impiegato e la semplificazione del processo
produttivo porteranno ad una riduzione stimata dei costi del 30% rispetto al metodo di
pressocolata tradizionale.
Dato che non richiede l'impiego di leghe di alluminio speciali, questa tecnologia può
essere tra l'altro facilmente trasferita agli stabilimenti preesistenti, a condizione che
vengano modificati di conseguenza anche gli stampi.
L'obiettivo dello sviluppo di questo nuovo metodo dal punto di vista tecnico era quello di
ottimizzare le caratteristiche di scorrevolezza dell'alluminio fuso in modo da ottenere il
miglior flusso possibile all'interno dello stampo nel breve periodo prima che l'alluminio
inizi a solidificarsi, con la massima uniformità della struttura finale dell'alluminio prima
che indurisca.
Per ottenere ciò, si è lavorato sulla base tecnologica acquisita in anni di esperienza nella
pressocolata sottovuoto dell'alluminio, aggiungendo un nuovo metodo esclusivo per
migliorare la completezza del sottovuoto nello stampo, che ha permesso anche un
controllo più preciso dei vari aspetti del processo di colata.
Per entrare maggiormente in dettaglio, si sono ottimizzate le condizioni dell'iniezione
dell'alluminio fuso nello stampo applicando un nuovo tipo di materiale sigillante
appositamente studiato per garantire l'ermeticità fra le parti dello stampo, per
aumentare la completezza del sottovuoto al suo interno e ridurre la resistenza dell'aria
(miglioramento di sei volte superiore al metodo tradizionale) (1); controllando la
temperatura dello stampo al fine di ottenere una temperatura più stabile dell'alluminio
fuso (2) e; aumentando la velocità dell'alluminio fuso (cinque volte rispetto al metodo
tradizionale) (3).
L'effetto combinato di questi accorgimenti riduce la quantità di aria (gas) nel metallo
allo stato pressofuso di un quinto rispetto al metodo tradizionale. Si ottiene così un
alluminio di qualità più resistente, che, rispetto all'alluminio pressofuso tradizionale, può
essere saldato.
Grazie a questo nuovo metodo è possibile realizzare particolari in alluminio con l'elevato
rendimento della pressocolata e con caratteristiche di resistenza ed elasticità uguali a
quelle della colata in conchiglia.
E' stato inoltre possibile realizzare quel tipo di getti in alluminio grandi ma sottili, così
difficili da produrre con i metodi di pressocolata tradizionale. Inoltre, dato che questo
nuovo metodo permette la produzione in serie di particolari progettati con spessori
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estremamente sottili e curve più complesse, esso suggerirà nuovi standard di
progettazione per i getti pressofusi in alluminio.
PROBLEMATICHE DELLA PRESSOFUSIONE
La presenza della porosità nei getti è un aspetto negativo che il pressocolatore deve
essere in grado di controllare e neutralizzare, sebbene in numerosi casi sia stato
osservato come i getti di zinco aventi porosità anche del 25% del volume non presentino
fenomeni di tenuta e formazione di blisters, anche se sottoposti successivamente ad
alte temperature o a lavorazioni alla macchina.
Si classificano due diversi tipi di porosità, che hanno la loro causa nel ritiro e
nell'intrappolamento dei gas.
Il primo tipo di porosità è da mettere in relazione con il raffreddamento che si verifica
nel corso della fase liquido-solido e risulta in misura più accentuata in getti con isolate
sezioni pesanti.
Il secondo tipo di porosità è, invece, determinato dall'intrappolamento dei gas presenti
nel liquido che fluisce nella cavità.
In genere la porosità dei getti è del 2-5% per lo zinco e dell'1% per le leghe di alluminio.
La differenza è da ascrivere non alla lega ma piuttosto alle maggiori pressioni impiegate
nella camera fredda, che determinano un effetto di riduzione sul volume dei gas. E' utile
valutare l'entità dei gas intrappolati nella cavità nel momento in cui il metallo sigilla la
linea di divisione.
In genere, nell'istante che vede bloccarsi l'uscita dei gas, soltanto i 3/4 della cavità
appaiono riempiti dal metallo. Il restante 25-30% è invece rappresentato dal gas
inizialmente ridotto alla pressione di 2-3 atmosfere. Mentre si svolge la fase di
riempimento della cavità, questo gas viene compresso fino a che il suo volume si riduce
all'1-5% dei getti. In questo caso il gas presente in quei pori ha una pressione di 200700 atmosfere.
I principali espedienti da adottare per contrastare l'effetto negativo sono:
•
la riduzione del volume iniziale dei gas,
•
l'evacuazione dei gas residui,
•
il controllo della distribuzione e dimensione dei pori.
La presenza di aria si registra non limitatamente allo stampo ma anche nel canale di
colata, nel collo d'oca nella camera calda e nel dispositivo d'iniezione della camera
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fredda. Il volume di questi componenti dovrebbe essere ridotto quanto più è possibile e
il sifone di colata riempito al massimo.
Occorre inoltre fare un utilizzo razionale dei lubrificanti, che non possono essere
impiegati in misure eccessive, dal momento che la loro scomposizione è la causa
principale di intrappolamento di gas.
La bassa velocità facilita l'evacuazione dell'aria dal cilindro e dal collo d'oca. A una
velocità del pistone di 0,1 m/s l'aria deve uscire dai fori di sfogo dello stampo a 10 m/s.
Per velocità superiori ad 1 m/s la velocità dell'aria è di 150 m/s (ca. 350 km/h). Più
ridotta è la velocità di riempimento della cavità da riemp ire, minore sarà la porosità
perché il gas ha più tempo per uscire.
La soluzione più conveniente per i getti di alluminio o zinco è quella di aumentare la
superficie dei fori di sfiato dell'aria; gli altri sistemi hanno invece dimostrato di essere
scarsamente efficaci. La porosità che viene rilevata dall'utilizzatore finale, durante la
lavorazione alla macchina dei getti, dipende dalla pressione di iniezione del metallo. Le
alte pressioni riducono le dimensioni dei pori.
In genere è preferibile avere un elevato numero di pori di piccole dimensioni piuttosto
che un numero esiguo di grandi pori e ciò può essere ottenuto aumentando la velocità
all'entrata. Per comprimere i pori e ridurre il ritiro, l'attacco di colata e il sistema di
iniezione devono rimanere attivi dopo il riempimento della cavità, soprattutto nella
camera fredda dove l'aumento di pressione può essere progressivo per evitare
l'apertura dello stampo.
Test eseguiti hanno dimostrato che, per getti di grande sezione, un passo di 1 mm
rimarrà aperto per più di 0,5 secondi dopo che la cavità è stata totalmente riempita. I
clienti pretendono che i getti siano a perfetta tenuta. In realtà i getti cominciano a
perdere quando in una parete i punti di porosità siano in collegamento tra loro. Leghe
con largo intervallo di raffreddamento sono più predisposte a perdite, anche in presenza
di una porosità dell'1%.
Al contrario, i getti di zinco possono avere una perfetta tenuta anche in presenza di alti
livelli di porosità. La lega eutettica in alluminio si colloca tra i due suddetti estremi.
E' da notare che la variabile più importante di processo è la temperatura dello stampo,
le cui superfici devono essere tenute accuratamente pulite. Anche se la porosità da
ritiro può causare qualche problema di tenuta stagna, è la porosità da gas che limita il
ricorso alla pressocolata. Infatti la porosità impedisce i trattamenti di riscaldamento e
di saldatura dei getti delle leghe di alluminio e l'applicazione di vernici a fuoco sui getti
di zinco. Ciò in quanto alle alte temperature i pori per quanto piccolissimi tendono ad
espandersi.
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La soluzione è quella di rimuovere i gas riducendo l'ossigeno o ricorrendo alle tecniche
del sottovuoto. In un sistema libero da pori, l'ossigeno della cavità è consumato dal
metallo liquido a mano a mano che esso entra nello stampo.
Per evitare esplosioni è necessario irrorare lo stampo di spray inerti e realizzare un
equilibrato mix tra ossigeno e metallo liquido. Per il buon successo della tecnica del
sottovuoto lo stampo deve essere evacuato nel tempo stabilito e ciò richiede
principalmente corretti canali di aspirazione e un adeguato isolamento dell'attrezzatura.
Se il sottovuoto è realizzato correttamente, si possono ottenere dei getti che possono
essere riscaldati e saldati e i getti di zinco possono essere posti in forni a temperature
superiori a 250 °C.
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TECNOLOGIE MECCANICHE
LAVORAZIONI MECCANICHE
L'alluminio e le sue leghe sono caratterizzate da una favorevole attitudine alle
lavorazioni meccaniche, risultando senza dubbio molto più lavorabili di altri materiali
metallici. Per poter sfruttare al meglio questa caratteristica tecnologica in termini di
vantaggio economico, è importante però adottare le corrette tecniche di lavorazione, sia
per quanto riguarda le macchine che per quanto si
riferisce alla natura ed all'assetto degli utensili.
Va inoltre precisato che le diverse leghe a base di
alluminio presentano comportamenti sensibilmente
differenziati alle lavorazioni all'utensile.
Così, in genere le leghe più tenere, o comunque in uno
stato fisico caratterizzato da modesti valori di
durezza, hanno la tendenza ad "impastarsi" ed a dare
un truciolo lungo, con tutti i problemi che ciò comporta sia per il grado di finitura
superficiale che per la possibilità di operare con macchine automatiche.
Comunque, con una corretta scelta di tutte le variabili operative, è possibile ottimizzare
gli aspetti qualitativi, tecnologici e, cosa molto importante, quelli economici, assicurando
in tal modo al componente in lega di alluminio il miglior margine di competitività.
FATTORI DI INFLUENZA E LEGHE
La lavorabilità all'utensile dei materiali non sempre è valutabile in termini rigorosi, dal
momento che deriva da un insieme complesso di caratteristiche diverse.
Vediamo di focalizzarne gli aspetti più importanti.
•
L'abrasività: è una qualità specifica del singolo materiale ed è valutabile in base
all'entità dell'usura che provoca sul filo dell'utensile. L'abrasività è da mettere in
relazione con la struttura metallurgica di base del materiale: essa dipende in qualche
misura dalla durezza, ma fondamentalmente dalla presenza nel materiale di composti
duri dispersi nella matrice, che al momento delle lavorazioni funzionano come veri e
propri grani di smeriglio. La maggior parte delle leghe di alluminio può essere definita
poco abrasiva, e l'unica eccezione è rappresentata da quelle leghe che contengono
silicio libero in elevata percentuale, come le leghe Al-Si da fonderia iper-eutettiche.
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Per questa classe di materiali vengono pertanto suggerite modalità di lavorazione
all'utensile specifiche, comunque ricorrendo ad utensili con placchette di metallo
duro.
•
La levigabilità: può essere definita come la capacità del singolo materiale di esibire
dopo la lavorazione meccanica una superficie liscia e a bassa rugosità. Questa
caratteristica dipende sostanzialmente dalle proprietà chimico-fisiche del materiale
base ed è poco influenzata dalle differenze di composizione tra una lega e l'altra.
Possiamo affermare che con le leghe di alluminio è sempre possibile ottenere una
buona superficie di lavorazione attenendosi alle norme di buona pratica ed in
particolare operando con utensili ben affilati.
•
La recidibilità: agli effetti pratici è la caratteristica di maggior peso, e può essere
definita come l'attitudine di un materiale ad essere tagliato e comminuto da un
utensile da taglio. E’ chiaro che, specialmente per operare sulle macchine
automatiche, è importante avere un truciolo corto e facilmente asportabile dal fluido
refrigerante
In linea di massima, a parità di altre condizioni, quanto maggiore è lo stato di
indurimento di una lega, tanto migliore è la lavorabilità nei termini di cui sopra: quindi,
meglio uno stato incrudito che uno ricotto, meglio uno stato invecchiato artificialmente
che uno semplicemente solubilizzato e temprato.
In sostanza, la durezza del materiale ha un ruolo di rilievo, ma non determinante,
essendo ben maggiore l'influenza esercitata da particolari tipi di dispersoidi
eventualmente introdotti "ad hoc" con il motivo sp ecifico di rompere il truciolo.
Funzionano egregiamente a questo scopo i dispersoidi di elementi bassofondenti, come
piombo e bismuto che, aggiunti in percentuali di alligazione intorno all'1% in peso, si
distribuiscono nella matrice delle leghe come particelle globulari, meccanicamente
capaci
di
determinare
al
momento
delle
lavorazioni
all'utensile
una
efficace
comminuzione del truciolo.
Quanto sopra vale particolarmente per le leghe da trasformazione plastica, ed infatti i
più noti materiali di alluminio da lavorazione meccanica, chiamati anche da taglio rapido,
appartengono a questa classe di leghe.
Nelle leghe da fonderia, caratterizzate da superiori livelli percentuali di elementi di
alligazione, e quindi da una più diffusa presenza di dispersoidi di differenti tipologie
metallurgiche, il problema della comminuzione del truciolo non è importante come per
quelle da trasformazione.
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Comunque, anche per le leghe da getti esistono particolari composizioni che prevedono la
presenza di piombo e bismuto.
Ritornando alle leghe da trasf ormazione a taglio rapido, la 2011 è indubbiamente la più
nota e quella maggiormente utilizzata nel settore delle barre e dei trafilati da
lavorazione meccanica; conosciuta dagli utilizzatori anche con le diverse denominazioni
commerciali (ad esempio 11 S), la 2011 ha come alligante principale il rame - circa 5% in
peso - e contiene complessivamente l’ 1% in peso di piombo + bismuto.
Trattata termicamente allo stato T6, la lega presenta caratteristiche meccaniche molto
elevate.
Da tener presente che, se privi di specifiche protezioni superficiali, i semilavorati in
2011 non offrono un soddisfacente comportamento in ambiente aggressivo.
Simili alla 2011 sono le leghe 2030 e 2007; quest'ultima è caratterizzata da un diverso
livello di alligazione per la presenza di Mg e quindi da una resistenza meccanica anche
superiore a quella della 2011.
La lega 6262, infine, appartiene alla famiglia Al-Mg-Si, ha minori doti di resistenza
meccanica, ma in compenso ha migliore lavorabilità plastica ed una superiore tenuta alla
corrosione.
Per quanto concerne le leghe da fonderia, come si è accennato moltissime composizioni
hanno eccellente recidibilità senza che sia necessario prevedere specifiche aggiunte di
piombo e bismuto.
In effetti, per la maggior parte delle leghe di alluminio da fonderia la facilità e
l'economicità della lavorazione all'utensile costituiscono un implicito parametro
fondamentale per la selezione all'impiego.
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La tabella 1 permette di dare un'idea più precisa delle caratteristiche di lavorabilità
all'utensile delle più note leghe di alluminio nei tipici stati di fornitura.
Sostanzialmente possono essere individuati tre livelli di attitudine alla lavorazione
all'utensile.
Al primo appartengono tutte le leghe da lavorazione plastica non suscettibili di
trattamento termico, e cioè i diversi gradi di alluminio 1000, le leghe Al-Mn della serie
3000 e le leghe Al-Mg della serie 5000, così come le leghe da trattamento termico non
invecchiate alla massima durezza.
Per questa classe di materiali è possibile ottenere risultati soddisfacenti di lavorazione
(tipologia del truciolo e grado di finitura superficiale) solo con una accurata messa a
punto delle macchine e delle condizioni operative.
Al secondo livello appartengono tutte le leghe da lavorazione plastica e da
invecchiamento, trattate al massimo di durezza (leghe Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, AlZn-Mg ed Al-Zn-Mg-Cu).
Tra i materiali caratteristici di questo livello, si colloca al limite inferiore della fascia la
6060, al massimo la 6262 e le leghe ad alta resistenza meccanica tipo 7000.
Questa classe di materiali si caratterizza per tipologia del truciolo da semicontinuo a
moderatamente continuo e per un grado da buono ad ottimo di finitura superficiale.
Appartengono ancora al secondo livello molte leghe da fonderia, ed in particolare quelle
delle famiglie Al-Si ed Al-Si-Cu con un tenore di silicio inferiore al 10%, le leghe Al-Mg
e quelle Al- CuMg.
Al terzo livello, infine, appartengono, oltre alle già citate 2011, 2030, 2007, le leghe da
fonderia AI-Si ed Al-Si-Cu con contenuto di silicio superiore al 10%, così come la quasi
totalità delle leghe secondarie; questi materiali sono caratterizzati dal punto di vista
della lavorazione all'utensile da un truciolo molto comminuto e da un eccellente grado di
finitura superficiale.
Resta da sottolineare che questa classificazione di lavorabilità all'utensile deve essere
considerata di tipo qualitativo e relativa a condizioni ottimali di lavorazione.
CARATTERISTICHE DI TAGLIO
Nella lavorazione all'utensile delle leghe di alluminio si possono adottare in genere
elevate velocità di taglio. Infatti il truciolo non riscalda l'utensile abbastanza da
causarne un significativo abbassamento della durezza, mentre al tempo stesso tale
temperatura è già sufficiente a ridurre la resistenza alla deformazione del materiale in
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lavorazione. In tali condizioni, gli sforzi di taglio sono decisamente bassi, anche per le
leghe a più elevata resistenza meccanica.
Essendo gli sforzi scarsamente influenzati dalla velocità di taglio (in pratica, superati i
300 m/minuto si arriva ad una situazione di sostanziale stabilità), è molto vantaggioso
ricercare per le leghe di alluminio le velocità di taglio più elevate possibili,
compatibilmente con la geometria dei pezzi e la tipologia delle macchine utensili.
In effetti, con l'alluminio si lavora anche a 400 m/minuto, con evidenti vantaggi
economico-produttivi, oltre che con migliori caratteristiche di finitura superficiale.
Resta da precisare al proposito che, come ulteriore semplificazione, in alcuni casi è
possibile lavorare senza ricorrere ai lubrificanti, per lo meno nei casi in cui i parametri
operativi non assumono specifici livelli di criticità.
Gioverà ricordare al riguardo che la lavorazione senza lubrificante delle leghe di
alluminio è possibile tecnicamente quando sono rispettate le seguenti condizioni:
-
leghe non particolarmente dure, quindi delle classi del primo e del secondo livello;
-
utensili di buona qualità ed in perfetta efficienza;
-
condizioni di lavoro, come velocità e profondità di taglio, non esasperate.
CARATTERISTICHE DEGLI UTENSILI
I normali acciai al carbonio a 65 Rockwell C possono essere impiegati solo per produzioni
limitate o per modeste velocità di taglio; i rischi che si corrono adottando utensili di
questo tipo per condizioni di lavoro anche solo moderatamente gravose sono
l'addolcimento delle punte dell'utensile ed una conseguente perdita di proprietà di
resistenza all'usura.
Come secondo livello di prestazioni abbiamo gli utensili in acciai rapidi, idonei a lavorare,
in condizioni critiche di velocità e di volume quantitativo, quasi tutte le leghe di
alluminio, specialmente quelle con durezze relativamente ridotte.
Per le leghe più dure o particolarmente abrasive - ad esempio quelle da fonderia ad
elevato contenuto di silicio - è consigliato ricorrere ad utensili in carburi metallici,
caratterizzati da eccellente resistenza all'usura e quindi in grado di consentire, anche
con le leghe difficili, elevate velocità di lavorazione.
Per il massimo livello di prestazioni, si passa infine agli utensili al diamante, ai quali si
può fare ricorso quando, indipendentemente da altre considerazioni, sia assolutamente
necessario un particolare livello di finitura superficiale
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TORNITURA, BARENATURA, PIALLATURA E LIMATURA
Le operazioni di tornitura e barenatura delle leghe di alluminio vengono in genere
effettuate con alte velocità di taglio; ciò implica l'utilizzazione di macchine utensili
capaci di consentire alta velocità dei mandrini ed al contemp o garantire ridotte
vibrazioni.
L'adozione di velocità di taglio molto alta comporta che il tempo necessario alle
operazioni di asportazione del truciolo ha una scarsa incidenza sul tempo totale del ciclo
di lavoro, e per questo motivo deve essere posta una grande attenzione all'abbattimento
dei tempi non legati al taglio vero e proprio, come, ad esempio, quelli di avvio e fermata
delle parti mobili.
La tornitura di lunghe barre di alluminio, a causa del basso modulo elastico del materiale,
richiede l'adozione di più elementi di vincolo per ridurre le deformazioni che si inducono
sotto l'azione degli sforzi di taglio.
Nelle lavorazioni al tornio, la profondità di passata può andare da 0,5 a 6 mm per
componenti di piccole dimensioni, fino a 30 mm per componenti di grandi dimensioni. La
velocità di avanzamento può oscillare da 0,15 a 2 mm/ giro per le operazioni di
sgrossatura e da 0,05 a 0,15 mm/giro per le operazioni di finitura.
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Anche per le lavorazioni di spianatura alla piallatrice o alla limatrice è preferibile usare
alta velocità, ma in questi casi è difficile trovare macchine utensili in grado di
raggiungere i valori ottimali per le leghe di alluminio.
Grandi angoli di spoglia superiori sono usati per le leghe più tenere, per facilitare la
rottura del truciolo e prevenire la formazione di riporti metallici sullo spigolo di taglio
dell'utensile.
I fluidi da taglio generalmente usati nel caso di utensili a punta singola sono gli oli
minerali, le emulsioni di olio e le soluzioni chimiche a base acquosa. Il fluido refrigerante
deve essere utilizzato con abbondanza sia sulla punta dell'utensile che su tutto il pezzo
per mantenerlo freddo.
FORATURA, ALESATURA E FRESATURA
La foratura delle leghe di alluminio è generalmente eseguita con punte ad elica con passo
piccolo, salvo i casi di leghe molto tenere o fori molto profondi per i quali si preferisce
l'uso di punte ad elica a grande passo.
Le velocità periferiche indicate per la foratura delle leghe di alluminio variano da 180 a
300 m/minuto. Con punte di piccolo diametro, per ottenere tali velocità periferiche di
taglio, sono necessarie velocità del mandrino molto alte; per realizzare, ad esempio, una
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velocità periferica di 300 m/minuto con una punta da 3 mm, sono necessari mandrini che
lavorino a circa 30000 giri/minuto.
Leghe con buona lavorabilità possono essere forate con velocità di avanzamento che
variano tra i valori massimi di 0,25 mm/giro per punte da 3 mm. di diametro, a 0,5
mm/giro per punte con diametro superiore a 7 mm.
Passando alla alesatura delle leghe di alluminio, per questa lavorazione è indicato
l'impiego di alesatori che lasciano facilmente defluire il truciolo.
La velocità di avanzamento può variare da 0,2 a 0,5 mm/giro con velocità periferiche
variabili tra 180 e 300 m/minuto. Sebbene i fori alesati siano in genere leggermente più
grandi del diametro dell'alesatore, gli utensili per alesare l'alluminio sono più piccoli del
diametro nominale del foro solamente di 0,01-0,025 mm, ciò per tener conto dell'elevata
dilatazione termica delle leghe di alluminio.
MASCHIATURA E FILETTATURA
Le condizioni di lavoro per la maschiatura delle leghe di alluminio sono simili a quelle per
il bronzo e l'acciaio, a meno della velocità, che, come sempre nel caso delle leghe di
alluminio, è più alta, e della particolare attenzione che va prestata per l'asportazione del
truciolo e lo smaltimento del calore.
I maschiatori usati generalmente sono con scanalatura diritta, salvo il caso di fori
profondi in leghe tenere, nel qual caso sono più indicati maschiatori con scanalatura a
spirale. Le velocità di taglio alle quali si può operare si aggirano intorno a 40 m/ minuto.
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FRESATURA CHIMICA
Includiamo questa tecnica nell'ambito delle lavorazioni meccaniche, anche se con la
fresatura chimica il metallo viene rimosso non per asportazione di truciolo, ma mediante
attacchi chimici selettivi.
Nel campo delle leghe di alluminio in genere si impiegano allo scopo delle soluzioni
alcaline (idrato di sodio), operando a caldo con una velocità di rimozione di materiale di
circa 0,02 mm/min.
Utilizzando questa tecnica si possono ottenere buone tolleranze dimensionali (± 0,05 mm
ed
anche
maggiori,
con
procedimenti
ed
impianti
particolari),
ed
operare
simultaneamente su più pezzi e su entrambe le facce.
I problemi tecnici della fresatura chimica riguardano in particolari i raggi di raccordo e
gli spigoli vivi.
Un tipico ciclo di fresatura chimica prevede le seguenti fasi:
-
pulitura del pezzo da lavorare e copertura, con opportune resine, delle restanti
parti;
-
asciugatura e polimerizzazione della resina;
-
immersione del pezzo nell'adatto bagno chimico in condizioni controllate di tempo
e di temperatura, per l'ottenimento della desiderata diminuzione di spessore del
metallo.
L'immersione può essere interrotta in ogni momento, ad esempio per esporre in tempi
diversi nuove superfici del pezzo dopo asportazione della resina.
I principali vantaggi che si associano a questo procedimento di lavorazione dell'alluminio
sono i seguenti:
-
l'asportazione di metallo non comporta la presenza nel pezzo di tensioni residue;
-
è possibile realizzare forme anche molto complesse senza apprezzabili difficoltà;
-
è possibile operare anche su spessori molto sottili;
-
le dimensioni lavorabili sono condizionate unicamente dalle dimensioni della vasca
di attacco;
-
si ottengono gradi di finitura superficiale molto buoni.
Tra le limitazioni della finitura chimica, ricordiamo le seguenti:
-
la impossibilità di realizzare raccordi, per cui il fondo di un filetto si presenta a
spigolo vivo;
-
la scarsa convenienza economica per la esecuzione di forature profonde;
-
la necessità di operare con pezzi molto omogenei sotto l'aspetto metallurgico per
ottenere lavorazioni uniformi;
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-
la frequente presenza di macchie ed aloni quando i pezzi lavorati sono getti o
elementi contenenti saldature;
-
la difficoltà di mantenere tolleranze ristrette sulle misure laterali (è arduo
ottenere valori migliori di ±0,8 mm);
trattandosi di una lavorazione di tipo chimico è necessario prevedere la soluzione di
problemi di tipo ecologico-ambientale, in relazione alla sicurezza degli operatori ed alla
eliminazione degli esausti.
TECNICHE DI GIUNZIONE DELL’ALLUMINIO
I particolari in lega di alluminio possono essere collegati facendo uso di una grande
varietà di metodi quali la saldatura per fusione, quella elettrica a resistenza, la
brasatura, l’incollaggio e l’assemblaggio con sistemi meccanici (bullonatura, chiodatura,
rivettatura). Un quadro d’insieme di tutte le principali tecniche disponibili è mostrato
sinteticamente nello schema della figura 1.
Figura 1: metodi di giunzione dell’alluminio
Va sottolineato che la scelta del metodo di giunzione dipende da un gran numero di
fattori:
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•
configurazione del giunto;
•
qualità e sicurezza richiesta al giunto;
•
costi preventivati;
•
tipo di materiale.
Di seguito sono riportate le caratteristiche tecnologiche dei principali procedimenti di
giunzione delle leghe leggere, insieme ai criteri operativi specifici da seguire in sede di
scelta tecnica.
LA SALDATURA
Fino a cinquant’anni fa l’alluminio e le sue leghe venivano considerati materiali non
saldabili o comunque difficilmente saldabili, a causa delle particolari caratteristiche
fisico chimiche dell’ossido di alluminio, l’allumina Al203, che, come noto, ricopre
naturalmente la superficie del metallo.
L’allumina, infatti, con un elevato punto di fusione (oltre 2.200 °C), una densità di volume
superiore a quella dell’alluminio e un’elevata stabilità chimica, essendo attaccabile solo
da basi forti come la soda e la potassa caustica, costituisce un ostacolo di non poco
conto per l’esecuzione di saldature valide e affidabili.
In effetti, mentre il metallo può raggiungere la fusione, la pellicola di ossido
superficiale si trova ancora allo stato solido e ciò può determinare lo sfondamento o la
mancata unione tra i due elementi da saldare, in quanto l’interfaccia di ossido non
consente il contatto diretto, quindi la compenetrazione.
Inoltre, può verificarsi il fatto che particelle di ossido restino inglobate nel metallo
fuso e che, pertanto siano in grado di provocare un abbattimento delle caratteristiche
complessive del giunto.
Solo dopo la seconda guerra mondiale, grazie ad un perfezionamento delle tecniche e
delle attrezzature di saldatura, si è riusciti a tenere sotto controllo il problema
dell’ossido, per cui oggi le leghe di alluminio risultano normalmente saldabili.
In particolare, tutte le leghe sono saldabili a resistenza e, salvo alcune composizioni
delle serie 2000 e 7000 e qualche lega da fonderia, la maggior parte sono
perfettamente saldabili ad arco sotto gas inerte
Altre tecniche, come la saldatura ossiacetilenica, sono da ricordare più che altro come
curiosità, mentre emergono e si consolidano per applicazioni sempre più diffuse
procedure come la saldatura a fascio di elettroni (electron beam welding), la saldatura a
frizione (friction welding), le tecniche laser.
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Figura 1: procedimento TIG e metodologia per l'unione di parti in lega di alluminio
Prima di entrare nel dettaglio delle singole tecniche è opportuno soffermare
l’attenzione su alcuni punti base:
•
la saldatura può essere definita come il procedimento di giunzione di due parti
metalliche attraverso la coalescenza delle superfici nelle zone di contatto. Le
saldature che si realizzano con la partecipazione attiva del metallo base vengono
dette autogene e possono essenzialmente distinguersi in saldatura autogena per
pressione e saldatura autogena per fusione, a seconda che sia prevista o meno una
pressione tra le parti da unire;
•
molti procedimenti di saldatura richiedono l’uso di materiale d’apporto, cioè di
metallo che, utilizzato sotto forma di bacchette oppure fili, viene fuso insieme ai
lembi del materiale da unire;
•
il comportamento dell’alluminio si differenzia sostanzialmente da quello dell’acciaio, a
causa delle diverse caratteristiche chimico-fisiche dei due metalli e in particolare
per le peculiari caratteristiche dell’ossido di alluminio, come evidenziato in
precedenza;
•
le leghe di alluminio offrono una gamma molto ampia di caratteristiche chimico-fisico
e meccaniche; è quindi naturale che sussistano tra le diverse comp osizioni sensibili
differenziazioni anche a livello di saldabilità e, infatti molte leghe hanno un
comportamento eccellente, mentre altre presentano sotto questo aspetto difficoltà
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operative che, in taluni casi, ne sconsigliano l’impiego, quando siano previsti giunti
saldati.
Le saldature ad arco
I procedimenti di saldatura ad arco sfruttano il forte sviluppo di calore che si genera a
seguito dell’urto tra le particelle cariche (elettroni e ioni positivi) che si muovono,
accelerate da una congrua differenza di potenziale, verso gli elettrodi di segno opposto.
Nella saldatura ad arco vi è da un lato un elettrodo e dall’altro il metallo base, che può
essere di polarità positiva (e in tal caso l’arco viene detto in "polarità diretta") o di
polarità negativa (e allora l’arco viene detto di “polarità inversa”). La temperatura
raggiunta nell’arco si aggira attorno a valori di 5.000 °C.
Il riscaldamento necessario per l’innesco dell’arco viene ottenuto per effetto Joule,
provocando inizialmente un corto circuito accostando l’elettrodo al materiale base. La
protezione del bagno di fusione dalla formazione di ossido può essere realizzata con
l’impiego di elettrodi rivestiti o attraverso l’azione di gas inerti. Nel primo caso si parla
di saldature con elettrodi rivestiti, nel secondo caso di saldature ad arco in atmosfera
di gas inerte.
Procedimento con elettrodi rivestiti
La tecnica di saldatura con elettrodi rivestiti è un procedimento usato a livello
artigianale per costruzioni di modesta importanza, senza particolari requisiti qualitativi,
in quanto non è possibile eliminare la presenza nel giunto di inclusioni di pellicole di
ossido, porosità e soffiature.
Le scarse potenzialità del procedimento sono dovute alla difficoltà pratica di realIzzare
rivestimenti che siano in grado di soddisfare contemporaneamente i seguenti punti:
-
produrre una scarica più leggera dell’alluminio;
-
reagire con l’ossido di alluminio formando composti leggeri;
-
fondere a una temperatura simile a quella dell’anima;
-
non assorbire umidità e non attaccare chimicamente l’anima;
-
non incidere in modo eccessivo sul costo degli elettrodi
Procedimento TIG (Tungsten Inert Gas Welding)
(saldatura ad arco in atmosfera inerte con elettrodo di tungsteno)
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Attualmente la denominazione americana, preferita per individuare questa procedura, è
Gas Tungsten Arc Welding (GTAW).
Tale metodo si presta ottimamente alla saldatura di elementi in leghe di alluminio con
spessori da 0,5 mm a 10 mm e, grazie alla propria flessibilità, è adatto per le saldature
dai contorni irregolari e, comunque, in tutti i casi in cui le esigenze di qualità sono molto
elevate.
La procedura TIG viene anche usata in fonderia per le riparazioni dei getti e per le
applicazioni di precisione in genere.
La figura 2 mostra lo schema di principio della tecnica.
Figura 2: schematizzazione delle attrezzature per saldature TIG di leghe di alluminio
L’impianto comprende tre circuiti:
-
uno elettrico, che va dal trasformatore della saldatrice al pezzo tramite torcia e
arco;
-
uno dell’acqua di raffreddamento della torcia (serve a contrastare il riscaldamento
nell’elettrodo di tungsteno);
-
uno del gas protettivo, che va dalla bombola alla zona dell’ arco.
Esiste anche, incorporata nella saldatrice, un’unità di accensione e stabilizzazione
dell’arco.
Il processo TIG prevede comunque l’impiego di corrente alternata fra pezzo ed
elettrodo con sovrapposizione di alta frequenza; in tali condizioni la corrente di
saldatura passa con simmetria legata all’alternanza della polarità: la semionda di polarità
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inversa attraversa la pellicola di ossido provocandone una migrazione verso gli estremi
della zona fusa, mentre la semionda di polarità diretta lascia riposare l’elettrodo
rendendo più efficace il raffreddamento ed evitandone la fusione
Il gas inerte, preferibilmente argon puro, erogato dalla stessa torcia intorno all’arco,
consente la protezione dalla ossidazione atmosferica.
Rispetto al procedimento MIG, il TIG è caratterizzato dal fatto che il metallo d’apporto
viene aggiunto lateralmente nella zona d’arco, manualmente o, nei procedimenti
automatici, a velocità programmabile.
Nella figura 3 vengono evidenziate le posizioni che dovrebbero mantenere la torcia e il
metallo d’apporto durante la saldatura.
Figura 3: posizionamento della torcia e del materiale d'apporto nella saldatura TIG
Questa circostanza costituisce sotto certi aspetti uno svantaggio, perchè rende più
complessa l’esecuzione delle giunzioni; infatti, l’operatore deve essere particolarmente
qualificato se la saldatura è manuale e la messa a punto del processo deve essere molto
accurata se la saldatura è automatica.
D’altro canto, la saldatura TIG consente una maggior possibilità di controllo del bagno di
saldatura, potendosi operare separatamente sulla corrente d’arco e sull’afflusso di
materiale di apporto.
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Nel saldare spessori di lega di alluminio superiorì ai 10 mm è necessario preriscaldare le
parti intorno ai 200 °C.
Procedimento MIG (Metal Inert Gas Welding) significa saldatura ad arco sotto gas
inerte con elettrodo di metallo
Il termine attualmente preferito per individuare questo procedimento di saldatura è
Gas Metal Are Welding (GAUW).
Il procedimento MIG è più semplice, più pratico e più veloce rispetto a quello TIG, e per
questo motivo viene preferito in tutti i casi in cui produttività e semplicità esecutiva
sono
importanti:
carpenteria,
grandi
strutture,
serbatoi,
carrozze
ferroviarie,
costruzioni nautiche, impianti chimici, etc.
La figura 4, mostra lo schema dell’apparecchiatura di saldatura MIG, per la quale
valgono molte delle osservazioni fatte a proposito della tecnica TIG.
Figura 4: schema di un impianto per la saldatura MIG delle leghe di alluminio
Una differenza riguarda, ovviamente, la presenza dell’unità di alimentazione del
materiale d’apporto, sistema costituito da due rulli che spingono il filo all’interno della
torcia fino ad avviarlo alla zona d’arco, ove viene fuso dallo stesso e depositato (figura
5). Per operare in condizioni ottimali è necessario un sistema di regolazione con alta
velocità di risposta, comunque tale da mantenere costante la lunghezza dell’arco entro
±1 mm, con velocità del filo che variano da 10 a 20 m/min
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In tali condizioni le attrezzature messe a punto prevedono l’alimentazione del motorino
che aziona i rulli di trascinamento del filo con la tensione di rete; la saldatrice presenta
quindi una caratteristica a tensione costante o leggermente calante, in modo da
rispondere con notevoli variazioni di corrente a variazioni dell’arco.
Figura 5: posizione della torcia nella saldatura MIG
Le variazioni di velocità di alimentazione del filo sono comandate dalle variazioni di
corrente dell’arco e in questo modo l’alimentazione del materiale d’apporto viene
regolata automaticamente, senza che l’operatore debba preoccuparsene.
Il procedimento MIG ha numerose varianti che si distinguono in relazione alle modalità
di trasferimento del metallo di apporto verso il bagno.
A parità di tensione dell’arco (ad esempio, 25-35 Volt per archi lunghi), per correnti
basse si ha la formazione di grosse gocce con frequenza di circa dieci al secondo,
mentre con correnti alte superiori a un valore detto di transizione si ha la formazione di
gocce minute, con frequenza di formazione superiore a cento al secondo.
La prima modalità, detta "globulare" o "drop arc", si presenta con arco turbolento,
scarsa penetrazione e forti spruzzi; la seconda modalità, detta a "trasferimento
polverizzato" o “spray arc", si presenta con arco tranquillo, profonda penetrazione senza
spruzzi e buona estetica, e può essere utilizzata per saldature in piano non per spessori
sottili.
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Un altro metodo prevede di operare a tensioni più basse, ad esempio a 16-25 V, e si basa
sulla diminuzione a tal punto della lunghezza dell’arco per cui si crea un ponte liquido
continuo tra il bagno di fusione e l’estremità del filo.
In simili condizioni la corrente tende al valore di corto-circuito e il ponte liquido viene
interrotto per strizione della goccia.
Tale modalità di trasferimento del metallo di apporto si deve ripetere con una
frequenza di almeno 100 cortocircuiti al secondo; il metodo viene denominato "per corto
circuito" o "short-arc", ed è molto indicato per la saldatura di spessori ridotti (fino a 1
mm).
Infine, occorre ricordare il metodo ad "arco pulsante" o "pulsed are welding", che
consiste nell’alimentare l’arco con una corrente continua di fondo (polarità inversa) e con
una sovrapposizione di corrente pulsata tale da produrre periodicamente le condizioni
spray-arc. Si tratta di una tecnica molto versatile, in quanto consente di ridurre la
potenza del metodo classico spray-arc, permettendo quindi di estenderne l’utilizzo ai
bassi spessori e ai lavori in posizione.
Con il procedimento MIG la necessità di preriscaldare le parti da saldare si manifesta
solo quando si opera su spessori superiori ai 15 mm.
Il gas inerte più frequentemente usato è, anche con questa tecnica, l’argon
Saldabilità ad arco delle leghe di alluminio
Sono considerati normalmente saldabili tutti i semilavorati plastici - laminati, estrusi,
fucinati - in alluminio commerciale (serie 1000) e nelle leghe Al-Mn (serie 3000), Al-Mg
(serie 5000), Al-Mg-Si (serie 6000) e in quelle della serie 7000 Al-Zn-Mg, senza rame.
Sono considerati pure saldabili normalmente i getti di alluminio a purezza commerciale e
quelli in leghe Al-Si; condizione indispensabile per la buona riuscita delle saldature dei
getti, al di là della composizione chimica degli stessi, è che questi siano esenti da difetti
di fonderia (in particolare, da porosità diffusa).
Con tecniche particolari si possono saldare anche semilavorati della serie 2000 e getti
di leghe Al-Cu e AI-Si-Cu.
Teoricamente, l’optimum di un giunto saldato sarebbe il raggiungimento nella zona della
giunzione di tutte le proprietà fondamentali del materiale base: resistenza meccanica,
tenacità, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, aspetto dopo anodizzazione.
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Poichè
nessuna
lega
offre
contemporaneamente
il
massimo
di
tutte
queste
caratteristiche, è logica conseguenza operare una scelta in base a un soddisfacente
compromesso tra le diverse proprietà.
Saldatura ossiacetilenica
Come si è già avuto modo di ricordare, si tratta di una tecnica ormai in disuso nella
saldatura dell’alluminio; il ricorso alla saldatura ossiacetilenica può essere ancora
giustificato solo quando non vi sia la disponibilità di attrezzature TIG o MIG.
Il processo ossiacetilenico è più lento della saldatura ad arco elettrico e può causare un
eccessivo surriscaldo e distorsioni del pezzo.
Durante la saldatura con fiamma ossiacetilenica è necessario usare dei flussi
disossidanti in pasta o polvere a base di cloruri o fluoruri di litio, sodio o potassio.
Il flusso, preventivamente posto sui lembi da saldare e sulla bacchetta di metallo di
apporto, reagisce chimicamente con l’allumina trasformandola in sali leggeri che
rimangono sulla superficie del bagno fuso. La scoria deve essere accuratamente
eliminata al termine della saldatura perché può compromettere la resistenza a
corrosione del giunto
Saldatura a fascio di elettroni
Questo tipo di saldatura viene effettuato operando con un fascio concentrato di
elettroni ad alta velocità prodotti da un filamento incandescente, accelerati e
focalizzati da campi magnetici.
Il cannone elettronico lavora sotto alto vuoto, mentre la zona di lavoro può essere anche
a basso vuoto o addirittura in aria.
Le saldature ottenute con questa tecnica, analogamente a quelle ottenute con altri
sistemi ad alta concentrazione di energia (ad esempio il laser), hanno un effetto
ridottissimo o addirittura inesistente, sulla struttura del metallo base adiacente, quindi
si caratterizzano per la quasi totale assenza di zone termicamente alterate, grazie
all’elevata velocità di esecuzione.
L’efficienza del giunto così ottenuto è molto elevata anche senza trattamenti termici
dopo saldatura; a volte per il recupero ottimale di caratteristiche è sufficiente un
semplice invecchiamento artificiale, che non presenta in genere problemi tecnici oppure
di costi.
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Saldatura per resistenza
In questa metodologia il calore per eseguire la saldatura si ottiene facendo passare una
elevata corrente elettrica tra i due pezzi da unire, i quali si surriscaldano nel punti di
contatto, mentre in contemporanea viene applicata una forte pressione per forzare
assieme i punti riscaldati.
Nell’ambito di questa tecnica si possono distinguere tre metodi:
-
saldatura per punti;
-
saldatura continua;
-
saldatura di testa.
La saldatura per punti ha un effetto analogo alla chiodatura, ed è un metodo ampiamente
utilizzato nell’assemblaggio di parti in alluminio fino a 5 mi llimetri di spessore.
Se la giunzione è ben eseguita, quando il punto è sollecitato a strappamento deve cedere
una zona esterna alla saldatura, senza che si verifichi il distacco delle parti nei punti
saldati
Saldatura per induzione ad alta potenza
Questo procedimento trova un largo impiego nella produzione dei cosiddetti "profili
elettrosaldati".
Una gran varietà di tubi dagli impieghi più diversi (dalle antenne televisive alle condotte
per irrigazione) sono realizzati con tale tecnica, che prevede la formatura tramite
rullatura di nastri laminati.
Dopo il penultimo passo di rullatura il profilo passa all’interno di una bobina a induzione
che riscalda la linea longitudinale di congiunzione fino a temperature prossime a quelle di
fusione, mentre un’ultima azione di rullatura comprime i lembi del tubo fino ad una loro
completa saldatura.
Tale tecnica permette una elevata produttività (fino a oltre 2,5 m/s) e consente in molti
casi di ottenere un’efficienza del giunto superiore all’85%.
Saldatura per frizione
La saldatura per frizione è un procedimento di frequente utilizzo per ottenere giunti di
testa sia tra leghe di alluminio sia tra queste e altri metalli.
Se, ad esempio, la lega 6061 viene saldata per fusione all’acciaio inossidabile AISI 304,
è inevitabile la formazione di un composto intermetallico fragile, ma se i due materiali
sono saldati per frizione si ottiene un giunto soddisfacente per molte applicazioni, dagli
impianti criogenici agli scambiatori di calore.
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La tecnica prevede di pressare l’uno contro l’altro i due particolari da unire, uno dei quali
resta fermo mentre l’altro viene messo in rapida rotazione; il calore generato
dall’attrito tra le due superfici a contatto e la pressione esercitata producono una vera
e propria saldatura allo stato solido
BRASATURA
Tra i metodi di giunzione dei materiali metallici la brasatura ha subito in questi ultimi
anni un sensibile sviluppo, segnatamente nel campo delle produzioni in larga serie.
Si definisce “brasatura” una giunzione eterogenea, ottenuta cioè utilizzando come
metallo d’apporto un materiale differente dal metallo base, a basso punto di fusione
(inferiore a 430 °C); in questo modo il metallo base non viene interessato da fenomeni di
fusione
In effetti, la temperatura di lavoro è un parametro fondamentale per differenziare la
brasatura dalle altre tecniche di giunzione.
La brasatura differisce cioé dalla "saldobrasatura" proprio perché la temperatura di
fusione del metallo d’apporto è più ridotta e perché la composizione del brasante non è a
base di alluminio.
La brasatura e la saldobrasatura differiscono dalla saldatura perché quest’ultima, in
genere è interessata da evidenti fenomeni di fusione nel metallo base.
La giunzione si ottiene portando allo stato liquido, con opportuni metodi di
riscaldamento, il metallo d’apporto (denominato «brasante») che va ad interporsi, per
fenomeni di capillarità, fra le superfici dei pezzi e, solidificando, li congiunge.
La brasatura richiede la presenza di un composto chimico, chiamato “flusso” che migliora
le caratteristiche di bagnabilità, proteggendo il bagno fuso e svolgendo un’azione
disossidante delle superfici da giuntare dove, anche dopo pulitura, si ha comunque la
riformazione di pellicole d’ossido il cui spessore aumenta sensibilmente per permanenze
ad alta temperatura in presenza di aria.
Spesso, però, questi flussi possono comportare problemi di corrosione se mantenuti a
lungo sul pezzo, e devono quindi essere accuratamente rimossi dopo brasatura.
Un’azione protettiva può essere utilmente ottenuta in taluni casi da un’atmosfera di gas
inerte, da un’immersione dei pezzi in un bagno di sali fusi o dall’utilizzo di forni sotto
vuoto, così da ridurre oppure eliminare la necessità di utilizzo dei flussi.
Nella brasatura si hanno quattro elementi principali: pezzi da congiungere, lega
brasante, flusso, sorgente di calore per portare il materiale alla temperatura richiesta.
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Le leghe brasanti adatte alla giunzione delle leghe leggere sono generalmente divise in
tre gruppi, in funzione della temperatura di fusione. Le numerose applicazioni della
brasatura nel campo delle leghe leggere sono giustificate da una serie di vantaggiose
caratteristiche peculiari del metodo. La brasatura, infatti:
-
è applicabile per assemblare pezzi di morfologia e sezione anche complesse e con
variazioni notevoli di spessore;
-
è proficuamente adottabile in linee automatiche per produzioni di larga serie;
-
ha ridottissimi rischi di distorsioni dei pezzi ed ha costi di finitura poco elevati;
-
consente di effettuare giunzioni valide fra leghe di alluminio ed altri metalli e loro
leghe
Procedimenti pratici di brasatura
Le temperature di fusione relativamente elevate dei materiali brasanti a base di zinco e
stagno, di impiego più comune per la giunzione dell’alluminio, richiedono una adeguata
sorgente di calore, data anche l’elevata conduttività termica delle leghe leggere.
Il riscaldamento dovrà essere uniforme, nell’intervallo di temperature previste per le
varie leghe.
A seconda del metodo di riscaldamento adottato, si distinguono i seguenti tipi di
brasatura:
-
brasatura al cannello e alla fiamma;
-
brasatura all’ arco;
-
brasatura ad induzione;
-
brasatura a resistenza;
-
brasatura ad immersione (in bagno brasante);
-
brasatura in forno ad aria;
-
brasatura in forno sotto vuoto.
Attitudine alla brasatura delle leghe leggere
L’ottenimento di giunzioni efficienti mediante brasatura su pezzi di lega leggera è
condizionato dalla composizione chimica del materiale base e dal tipo di brasante
utilizzato.
Oltre all’alluminio di purezza commerciale della serie 1000, sono dotate di ottima
brasabilità le leghe Al-Mn tipo 3003 e 3004; leggermente meno valide risultano le
giunzioni su leghe Al-Mg-Si come la 6061 e la 6060, e le leghe Al-Mg contenenti tenori
ridotti di Mg come la 5005. Per tenori di magnesio superiori a 2,5%, come le leghe 5052,
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5083, 5086 e 5154, l’efficienza delle giunzioni risulta decisamente più scarsa e spesso
insufficiente.
Infine, per le leghe a più elevata resistenza Al-Zn-Mg-Cu e Al-Cu-Mg - come la 7075, la
7020 e la 2024 - la brasatura non è consigliabile.
In generale, possiamo sottolineare che la brasatura è adottabile con le leghe leggere
che non contengono più dell’1% di Mg o il 5% di Si; le leghe che contengono tenori
maggiori di questi alliganti presentano una scarsa bagnabilità da parte del flusso,
mentre in quelle ad alta resistenza, contenenti Cu e Zn, possono verificarsi pericolosi
fenomeni di penetrazione intergranulare dello Zn, con possibile formazione di cricche.
Le giunzioni con caratteristiche meccaniche più elevate si ottengono, ovviamente,
utilizzando brasanti a più alto punto di fusione; occorre però considerare che la
permanenza a temperature elevate (intorno ai 400 °C) per la durata del processo di
brasatura, produce nel materiale base fenomeni di addolcimento che possono abbassare
le caratteristiche meccaniche dello stesso
In linea generale, le leghe da lavorazione plastica sono più facilmente brasabili rispetto
alle leghe da fonderia; infatti, queste ultime hanno di norma composizioni complesse, con
elevati teriori di Si, Cu e Mg.
Inoltre i getti sono di solito caratterizzati da superfici irregolari, con porosità, quindi
difficili da pulire e da liberare dai flussi, oltreché da irregolarità geometriche e
dimensionali dei profili, che implicano evidenti difficoltà nella normalizzazione delle
distanze fra i singoli pezzi da brasare, quindi possibili problemi sulla uniformità del
ciclo.
Un altro fattore importante che influenza la brasatura è rappresentato dalle tensioni
residue provenienti dalla tempra o dalla lavorazione a freddo; le tensioni residue
favoriscono la penetrazione intergranulare del brasante con la formazione di zone molto
fragili e quindi di cricche.
Questo fenomeno, come accennato, è particolarmente sensibile quando si utilizza lo
zinco come brasante. Per limitare l’effetto delle tensioni interne può essere conveniente
eseguire un adeguato trattamento termico di distensione.
INCOLLAGGIO
La tecnica dell’incollaggio di componenti in leghe leggere si è dimostrata, specie negli
ultimi anni, in grado di affiancare, e in alcuni casi di sostituire completamente, altre
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metodologie di assemblaggio più convenzionali quali le giunzioni realizzate attraverso i
collegamenti meccanici.
Il fatto che la tecnica dell’incollaggio non sia ancora molto diffusa non deve
sorprendere; si tratta, infatti, di procedimenti di introduzione molto recente, ancora in
fase di sviluppo, ed è sufficiente al riguardo ricordare che solo fino a circa cinquant’anni
fa gli unici adesivi usati erano quelli naturali di origine animale o vegetale.
Solo dopo la seconda guerra mondiale si è visto un deciso sviluppo delle resine sintetiche
quali quelle epossidiche e fenoliche, specie per le applicazioni non strutturali o
semistrutturali
che
si
riscontrano
nel
comparto
automobilistico,
dell’industria
calzaturiera e dell’imballaggio.
E’ indubbio che in termini di prospettive future l’applicazione delle tecniche di
incollaggio può aprire la strada a soluzioni ingegneristiche di notevole contenuto
innovativo; a tal riguardo si ricorda la possibilità di assemblare lamiere sottili, fino a
film metallici di 0,05 mm, riuscendo così a produrre strutture leggerissime, ma al
contempo dotate di notevole capacità resistenziale, come le strutture sandwich a nido
d’ape.
Per comprendere meglio le enormi possibilità offerte dalla diffusione dell’uso degli
adesivi per assemblare parti in lega di alluminio, è opportuno sottolineare quali possono
essere i vantaggi di questa tecnica:
-
la possibilità di unire materiali diversi sia per le loro caratteristiche chimiche che
fisiche;
-
una uniforme distribuzione delle tensioni grazie alla possibilità che esse hanno di
ripartirsi su tutta l’area incollata;
-
la caratteristica degli incollaggi di un comportamento generalmente poco rigido, che
permette di attenuare punte di sollecitazione, ridistribuendo il carico e migliorando,
in definitiva, le caratteristiche di resistenza meccanica statica ed a fatica e di
smorzamento delle vibrazioni;
-
buone caratteristiche sigillanti e di isolamento elettrico, termico ed acustico; nel
caso di strutture richiedenti una continuità elettrica tra le parti, si possono
utilizzare adesivi miscelati con polveri metalliche;
-
al confronto con la saldatura per fusione, l’incollaggio comporta l’eliminazione dei
rischi di deformazioni e/o di surriscaldi eccessivi del materiale base, con una
estrema facilità nell’unire parti con forte differenza di spessore.
Vi è, inoltre, la possibilità di abbinare il processo di indurimento a caldo di certi adesivi
con il completamento del ciclo termico di invecchiamento di leghe da trattamento
termico e/o con la cottura della vernice in forno; la possibilità di eliminare irregolarità
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superficiali dovute a collegamenti effettuati a mezzo di viti e rivetti; la possibilità
infine di collegamenti altrimenti irrealizzabili, per la costruzione di particolari di forma
complessa.
Naturalmente l’incollaggio presenta anche dei limiti, pur se occorre ricordare che la
attiva ricerca che si sta svolgendo in questi anni, promette di poter risolvere molti dei
seguenti problemi:
-
la necessità di particolari forme del giunto ,per evitare che si inneschino
fessurazioni;
-
limitata resistenza del giunto incollato in particolari situazioni di servizio,
specialmente alle alte temperature;
-
scarsa disponibilità di dati storici riguardo al comportamento nel tempo dei giunti
incollati, nelle diverse condizioni ambientali;
-
la tossicità di molti adesivi ad elevate temperature;
-
la ancora scarsa affidabilità dei metodi di controllo non distruttivo per verificare e
garantire la qualità dei giunti;
-
la tuttora carente standardizzazione sulle tecniche operative, circostanza questa
che rende molto dipendente da singole manualità la qualità delle varie giunzioni.
Gli adesivi vengono generalmente classificati in tre gruppi principali a seconda del tipo di
indurimento che li caratterizza:
A. adesivi che induriscono per evaporazione del solvente, come le colle naturali, le
resine sintetiche, tipo le acriliche, le viniliche e le cellulosiche, i polimeri stirenici ed
elastomerici a base di poliuretano;
B. adesivi termoplastici, che si liquefano a caldo e solidificano a freddo, come i
poliammidi, i polieteri saturi ed i poliacrilati;
C. adesivi che induriscono per reazione chimica, generalmente applicati per impieghi
strutturali, in quanto presentano alte caratteristiche resistenziali. Appartengono a
questo gruppo gli adesivi a base di resine epossidiche, fenoliche, poliesteri ed altre
suscettibili di policondensazione.
GIUNZIONI MECCANICHE
Le giunzioni meccaniche, e in modo particolare le chiodature, sono tra i più antichi e
sperimentati sistemi utilizzati per l’assemblaggio di parti di alluminio.
L’intera gamma dei collegamenti comprende quelli ottenuti con ribattini, rivetti, bulloni,
viti, ecc. nonché le giunzioni eseguite per aggraffatura.
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Le principali ragioni del largo impiego di giunzioni meccaniche sono legate alla relativa
semplicità di esecuzione, al basso costo delle attrezzature e, non ultimo, alla possibilità
di unire leghe, da trattamento termico o fortemente incrudite, senza alterazioni
microstrutturali nella zona di giunzione (come invece avviene per la saldatura).
Un altro importante campo applicativo delle giunzioni meccaniche è quello relativo
all’unione di parti in leghe eterogenee o materiali diversi.
Nonostante la saldatura abbia sostituito la chiodatura in molte applicazioni, l’uso di
rivetti e ribattini è ancora oggi ampiamente diffuso in diversi campi, come le strutture
aeronautiche, piccole imbarcazioni, furgonature.
Per incrementare le caratteristiche di resistenza e/o di tenuta dei giunti si può
abbinare alle tecniche di aggancio meccanico l’uso di adatti adesivi.
Chiodatura
La chiodatura rappresenta uno dei più usati metodi di giunzione di forza tra elementi di
strutture realizzate in leghe leggere ad alta resistenza.
L’uso di chiodi di alluminio, pur esigendo una maggiore precisione rispetto alla chiodatura
classica a caldo di acciai, necessita di una mano d’opera meno specializzata rispetto ad
altri tipi di giunzioni.
La maggior cura richiesta rispetto alla lavorazione degli acciai è dovuta al fatto che la
ribattitura dei chiodi di alluminio viene eseguita a freddo e pertanto le lamiere, non
essendo pressate l’una contro l’altra per effetto del ritiro, trasmettono il carico
facendo lavorare a taglio il gambo dei chiodi e a carichi radiali i bordi dei fori delle
lamiere.
Ciò spiega quanto sia necessaria una accurata precisione dell’accoppiamento per una
opportuna trasmissione delle sollecitazioni. La pratica più corretta consiste nell’operare
con punte a elica (mai con punzonatura), realizzando fori di diametro inferiore a quello
dei chiodi, previa una precisa tracciatura dei pezzi.
Dopo accoppiamento dei pezzi da collegare, fissando provvisoriamente i fori
corrispondenti (imbastitura), questi vengono ripresi progressivamente con un alesatore
e portati al diametro finito, con i bordi dei fori leggermente svasati.
Per rendere più facili le operazioni di imbastitura e di foratura delle lamiere sono
disponibili
diversi
strumenti
che
consentono
di
effettuare
lavorazioni
molto
perfezionate.
L’operazione di ribattitura viene condotta a freddo fino a chiodi di circa 15-20 mm di
diametro e può essere eseguita col martello a mano, col martello pneumatico o con la
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pressa chiodatrice che, contrariamente ai precedenti metodi, lavora con pressione
statica.
Il martello per eseguire la chiodatura dell’alluminio è più pesante di quello usato per la
chiodatura a caldo dell’acciaio, ciò a causa della maggiore spinta elastica che si ha
deformando a freddo l’alluminio.
Si ricorda che nel caso di chiodi in alluminio i colpi di ribattitura devono essere inferiori
a quelli usati nel caso dell’acciaio al fine di evitare formazioni di cricche nelle teste dei
chiodi di alluminio dovute all’infragilimento che l’incrudimento comporta.
A chiodatura avvenuta, il gambo del chiodo deve occupare tutto lo spazio disponibile nei
fori affinché si abbia una buona trasmissione del carico.
E’ inoltre importante che il diametro del ribattino sia proporzionato allo spessore del
materiale da chiodare; chiodi molto sottili possono presentare problemi pratici di
ribattitura o inflessioni eccessive sotto sollecitazioni, in giunzioni multistrato, mentre
diametri eccessivi possono causare imbozzature della lamiera attorno al foro durante
l’operazione di chiodatura stessa.
Nelle applicazioni ad alta resistenza, come ad esempio in aeronautica, vengono spesso
usati ribattini di leghe Al-Cu tipo 2017 e 2024 capaci di raggiungere resistenze a taglio
di oltre 300 N/mm2. Nel caso della 2024 i chiodi non possono essere ribaditi allo stato
d’impiego ad elevata durezza T6, ma vanno utilizzati tempra allo stato T1; in questa
condizione, come noto, le leghe da trattamento termico presentano una resistenza
meccanica e una duttilità che si avvicina a quella tipica del materiale ricotto.
Si tratta comunque di una situazione instabile in quanto molte leghe, e tra di esse
appunto la 2024, acquisiscono durezza anche per semplice permanenza a temperatura
ambiente con il progredire dell’invecchiamento naturale.
Nel caso della lega 2024 la velocità di decomposizione della soluzione solida a
temperatura ambiente è talmente veloce che la chiodatura deve essere eseguita entro
poche ore dalla tempra. E’ peraltro possibile bloccare i fenomeni di precipitazione anche
per lungo tempo, conservando in ambiente refrigerato a bassa temperatura i ribattini
temprati e prelevando di volta in volta il quantitativo necessario.
L’impiego dei ribattini a elevata resistenza meccanica è peraltro notevolmente
semplificato con l’utilizzazione della lega 7050 della famiglia Al-Zn-Mg-Cu, un materiale
che per specifiche proprietà metallurgiche e microstrutturali può essere ribadito nella
condizione d’impiego senza pericolo di criccature.
Oltre ai normali ribattini esistono in commercio altri tipi di chiodi per applicazioni
speciali; tra i più diffusi ricordiamo i rivetti, utilizzati soprattutto dove sia accessibile
per l’operatore solo un lato della giunzione
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Unione con bulloni
Giunti smontabili, di forza, ad alta affidabilità, di semplice esecuzione e ispezione,
possono essere ottenuti con l’uso sia di bulloni in leghe di alluminio ad alta resistenza
che di bulloni d’acciaio.
In genere, nelle strutture in lega leggera, l’acciaio è utilizzato per connessioni
strutturali ad elevate prestazioni, mentre l’alluminio è preferito per unioni di media
resistenza, richiedenti inoltre un buon comportamento agli effetti della corrosione.
E’ importante tener presente che, qualora si ricorra all’impiego di bulloni in acciaio, è
indispensabile che si tratti di acciai cadmiati o zincati e che siano previsti opportuni
isolamenti dalle parti contigue di alluminio.
Tali precauzioni sono tanto più importanti da seguire quanto più difficile è eliminare
condizioni di esercizio con umidità stagnante, presenza di elettroliti attivi e/o
atmosfere industriali inquinate; in questi casi, qualora si vogliano mantenere nel tempo
caratteristiche di funzionalità e di aspetto estetico accettabili, la più sicura alternativa
ai bulloni di alluminio è costituita dagli acciai inossidabili austenitici del tipo 18/8
Fori filettati per giunzioni smontabili
Un problema peculiare delle giunzioni con fori filettati in particolari di alluminio si
presenta negli utilizzi che prevedano frequenti smontaggi nel periodo di esercizio.
Le filettature ottenute su alluminio e anche nelle sue leghe più dure presentano possibili
fenomeni di grippaggio e usura durante l’assemblaggio e lo smontaggio, e ciò avviene con
bulloni o viti sia in acciaio che in lega leggera.
Tali fenomeni sono particolarmente evidenti per filetti a passo fine e sono esaltati dalla
presenza di umidità, di residui di olii di qualità inadatta e di impurezze in genere.
Il problema può essere in qualche misura attenuato procedendo all’ossidazione anodica
di almeno uno degli organi della coppia di attrito (madrevite o vite se in lega d’alluminio)
e/o dall’uso di un adatto lubrificante.
Nelle condizioni più drastiche con vite o bullone in acciaio si ricorre a sistemi di
filettatura riportata del tipo ad inserto o “Heli-Coil”.
Altri sistemi di giunzione meccanica
Tra i numerosi processi alternativi di giunzione meccanica ricordiamo l’aggraffatura,
realizzata ripiegando opportunamente i bordi di oggetti ottenuti da lamiere sottili.
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Questo sistema è usato in diversi lavori di lattoneria e particolarmente per lo scatolame
e per gli imballaggi metallici; tra l’altro, semplici interposizioni di guarnizioni elastiche
possono risolvere anche molti problemi di chiusura ermetica.
La tecnica si presta a una completa automazione, che in parecchi campi è in pratica una
condizione indispensabile, a causa della dimensione dei lotti di produzione e dei requisiti
di economicità.
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Indice
ALLUMINIO ............................................................................................................................................1
LE ORIGINI E LA STORIA ..............................................................................................................1
UTILIZZO...........................................................................................................................................3
CARATTERISTICHE ........................................................................................................................4
LEGHE.................................................................................................................................................7
LEGHE DA LAVORAZIONE PLASTICA....................................................................................7
LEGHE DELLA SERIE 6000 .........................................................................................................8
PROCESSI DI FUSIONE INNOVATIVI................................................................................................10
PRESSOFUSIONE ............................................................................................................................10
SQUEEZE CASTING .......................................................................................................................11
PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO ................................................................................................15
I VANTAGGI DIRETTI DELLA PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO .....................................19
I VANTAGGI INDIRETTI DELLA PRESSOCOLATA SOTTO VUOTO ................................20
ASPETTI CRITICI ........................................................................................................................21
THIXOFORMING............................................................................................................................22
NUOVO METODO DI PRESSOCOLATA “Yamaha CF”.............................................................23
PROBLEMATICHE DELLA PRESSOFUSIONE.........................................................................25
TECNOLOGIE MECCANICHE ............................................................................................................28
LAVORAZIONI MECCANICHE ....................................................................................................28
FATTORI DI INFLUENZA E LEGHE ........................................................................................28
CARATTERISTICHE DI TAGLIO ..............................................................................................31
CARATTERISTICHE DEGLI UTENSILI ...................................................................................32
TORNITURA, BARENATURA, PIALLATURA E LIMATURA ..............................................33
FORATURA, ALESATURA E FRESATURA ............................................................................34
MASCHIATURA E FILETTATURA...........................................................................................35
FRESATURA CHIMICA.............................................................................................................36
TECNICHE DI GIUNZIONE DELL’ALLUMINIO ........................................................................37
LA SALDATURA .........................................................................................................................38
BRASATURA ...............................................................................................................................48
INCOLLAGGIO ............................................................................................................................50
GIUNZIONI MECCANICHE .......................................................................................................52
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