Principali leghe di alluminio ad alta resistenza per la pressofusione

TL;DR

La selezione di leghe di alluminio ad alta resistenza per la pressofusione comporta un compromesso tra resistenza massima e lavorabilità. Per una resistenza meccanica ottimale, le leghe della serie 200 e le leghe zinco-alluminio come la ZA-27 sono tra le più indicate. Tuttavia, leghe come la A360 offrono un equilibrio superiore tra resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione, mentre la B390 fornisce un'eccezionale resistenza all'usura. Le proprietà finali sono spesso notevolmente migliorate mediante trattamenti termici come il trattamento T6.

Conoscere le famiglie di leghe di alluminio per la pressofusione

Prima di selezionare una specifica lega, è fondamentale comprendere le principali famiglie, o serie, di leghe di alluminio utilizzate nella pressofusione. Classificate dall'Aluminum Association, queste serie raggruppano le leghe in base ai loro elementi di lega principali, che ne determinano le caratteristiche fondamentali. Il processo di selezione da parte dell'ingegnere inizia spesso a questo livello per restringere le opzioni in base ai requisiti principali dell'applicazione.

Ogni serie offre una diversa combinazione di proprietà meccaniche, caratteristiche di fusione e costi. Ad esempio, mentre una serie può offrire un'elevata resistenza, potrebbe risultare più complessa ed economica da produrre rispetto a una serie più comune e di uso generale. Comprendere queste differenze di base è essenziale per prendere una decisione informata.

Le serie più comuni nella pressofusione offrono vantaggi distinti:

• serie 2xx.x (Rame): Conosciuta per avere la maggiore resistenza tra le leghe di alluminio, la serie 200 può raggiungere proprietà meccaniche quasi doppie rispetto alla più comune serie 300. Tuttavia, questa resistenza comporta una minore resistenza alla corrosione e una fusione più difficoltosa.
• serie 3xx.x (Silicio + Rame/Magnesio): Questa è la serie più popolare e utilizzata per la pressofusione, con A380 quale standard del settore. Queste leghe offrono un'eccellente combinazione di buona colabilità, resistenza moderata ed efficacia economica, rendendole adatte a un'ampia gamma di applicazioni.
• serie 4xx.x (Silicio): Queste leghe, come la 413, sono apprezzate per la loro eccellente fluidità in fusione e tenuta alla pressione. Ciò le rende ideali per parti complesse o componenti che devono contenere liquidi o gas senza perdite, come i cilindri idraulici.
• serie 5xx.x (Magnesio): La serie 500, che include leghe come la 518, si distingue per l'eccellente resistenza alla corrosione, in particolare negli ambienti marini, e per le superiori caratteristiche di finitura superficiale. È una scelta privilegiata per componenti che richiedono ossidazione anodica a scopi estetici o protettivi, anche se può essere più soggetta a fessurazioni a caldo durante la fusione.

Le principali leghe ad alta resistenza: un confronto dettagliato

Sebbene la lega 380 sia la scelta più comune per applicazioni generiche, diverse leghe specializzate offrono caratteristiche di resistenza e prestazioni superiori, necessarie per ruoli più impegnativi. Questi materiali vengono selezionati quando le leghe standard non riescono a soddisfare i requisiti meccanici, termici o di resistenza all'usura del componente. La scelta richiede un'analisi accurata dei compromessi tra resistenza ultima, colabilità e altre proprietà critiche.

Le opzioni più resistenti provengono spesso dalla serie 200 o dalle famiglie specializzate di zinco-alluminio (ZA). Secondo General Foundry Service , le leghe della serie 200 sono note per la resistenza molto elevata. Contemporaneamente, le leghe ZA come la ZA-27 offrono una resistenza a trazione significativamente superiore rispetto alle leghe di alluminio tradizionali. Di seguito è riportato un confronto tra i principali candidati per applicazioni di pressofusione ad alta resistenza.

Quando si confrontano queste opzioni, l'A360 è spesso scelto quando un componente deve funzionare in un ambiente aggressivo o a temperature elevate senza rompersi. Come osservato da Rapid Axis , combina resistenza, duttilità e resistenza alla corrosione, anche se la sua difficoltà di fusione implica che debba essere considerata la geometria del pezzo. B390 è la scelta principale per applicazioni caratterizzate da usura e attrito. L'elevato contenuto di silicio conferisce una durezza che gli permette di resistere a forze abrasive, rendendolo ideale per componenti di motori a combustione interna. Per applicazioni che richiedono la massima resistenza assoluta, le serie 200 e ZA-27 sono le principali candidate, anche se richiedono una maggiore competenza specializzata nella fusione e potrebbero comportare costi più elevati.

Il Segreto della Massima Resistenza: Il Ruolo del Trattamento Termico

La semplice selezione di una lega ad alta resistenza rappresenta solo una parte dell'equazione. Per molte leghe di alluminio, in particolare quelle delle serie 200 e 300 come le leghe da fusione 356 e 357, le proprietà meccaniche finali si ottengono tramite trattamento termico. Questo processo metallurgico prevede un riscaldamento e un raffreddamento controllati per modificare la microstruttura del metallo, determinando notevoli aumenti di durezza, resistenza a trazione e limite di snervamento.

Il trattamento termico può stabilizzare le dimensioni di un componente, eliminare le tensioni interne derivanti dal processo di fusione e ottimizzarne le prestazioni per l'applicazione finale. Comprendere le diverse condizioni di trattamento termico, o tempre, è fondamentale per qualsiasi ingegnere che specifichi un componente fuso ad alte prestazioni. Queste tempre sono indicate da una 'T' seguita da un numero.

Le tempre più comuni per incrementare la resistenza nelle fusioni di alluminio includono:

• F (As-Cast): Lo stato della fusione subito dopo la solidificazione, senza trattamento termico successivo. Le proprietà sono di base e possono variare nel tempo con l'invecchiamento naturale.
• T5 (Invecchiato artificialmente): La fusione viene raffreddata dalla temperatura di colata e poi sottoposta a un processo di invecchiamento a bassa temperatura. Questo garantisce una buona stabilità dimensionale e un moderato aumento della resistenza.
• T6 (Trattato termicamente di solubilizzazione e invecchiato artificialmente): Si tratta di un processo in due fasi per raggiungere la massima resistenza. La fusione viene prima riscaldata a elevata temperatura per sciogliere gli elementi leganti in una soluzione solida, quindi rapidamente temprata in un liquido per bloccarli in posizione. Successivamente viene invecchiata artificialmente a una temperatura più bassa per far precipitare tali elementi, indurendo e rinforzando notevolmente il materiale.
• T7 (Trattato termicamente di solubilizzazione e stabilizzato): Simile al T6, ma il processo finale di invecchiamento viene eseguito a una temperatura più elevata o per un tempo più lungo. Questo porta la lega oltre la sua massima durezza, garantendo un migliore stabilità dimensionale e la riduzione delle tensioni interne, anche se con una leggera riduzione della resistenza ultima rispetto al T6.

Specificando un trattamento termico T6, un ingegnere può trasformare un componente moderatamente resistente realizzato con una lega come la 356 in un componente strutturale ad alte prestazioni, in grado di sopportare carichi molto maggiori.

Oltre alla resistenza: fattori critici nella selezione della lega

Sebbene la resistenza a trazione sia una preoccupazione primaria, raramente è l'unico fattore che determina il successo di una lega. È fondamentale adottare un approccio olistico alla selezione del materiale, poiché concentrarsi esclusivamente sulla resistenza può portare a guasti legati alla produzione o all'esposizione ambientale. Diverse altre proprietà devono essere attentamente valutate per assicurare che la lega scelta sia adatta sia al processo produttivo sia all'applicazione finale.

Tra questi fattori, i principali sono colabilità , che indica con quale facilità una lega può essere trasformata in un componente di qualità. Ciò include la resistenza a difetti come la fessurazione a caldo (strappi che si formano durante la solidificazione) e l'adesione della lega allo stampo (la lega che aderisce allo stampo). Come illustrato da esperti presso Gabrian , leghe con scarsa colabilità possono portare a tassi di scarto più elevati e a costi di produzione aumentati. Un altro fattore fondamentale è resistenza alla corrosione . L'ambiente operativo del componente determina il livello di resistenza richiesto. Ad esempio, l'A360 presenta un'eccellente resistenza alla corrosione, rendendolo adatto a impieghi esterni o marini, mentre l'A380 in questo senso è solo discreto.

Altre proprietà come tenuta alla pressione (fondamentale per componenti idraulici), resistenza all'usura (per parti in contatto mobile), e lavorabilità devono essere anch'esse valutate. Per guidare questa complessa decisione, i progettisti dovrebbero considerare le seguenti domande:

• Qual è la temperatura massima di esercizio cui sarà sottoposto il componente?
• Il componente sarà esposto a elementi corrosivi come acqua salata, prodotti chimici o sale stradale?
• Il componente deve essere stagnamente pressurizzato per contenere liquidi o gas?
• Quali operazioni secondarie di finitura, come anodizzazione o verniciatura, sono richieste?
• Quali sono i vincoli di costo per il progetto?

Sebbene la fusione in pressofusione offra un ottimo equilibrio tra resistenza, complessità e velocità di produzione, alcune applicazioni, in particolare nel settore automobilistico impegnativo, potrebbero richiedere una resistenza maggiore o una maggiore resistenza alla fatica, spingendo i progettisti verso altri processi come la forgiatura. Ad esempio, specialisti nei componenti forgiati per autoveicoli, come Tecnologia del metallo di Shaoyi (Ningbo) , utilizzano processi come la forgiatura a caldo per produrre componenti robusti quando l'integrità massima del materiale è la priorità assoluta.

Domande frequenti

1. Qual è l'alluminio più resistente per la pressofusione?

Le leghe di alluminio più resistenti per la pressofusione si trovano generalmente nella serie 200 (alluminio-rame), che possono essere trattate termicamente per ottenere elevate proprietà meccaniche. Inoltre, le leghe di zinco-alluminio, in particolare la ZA-27, sono note per la loro straordinaria resistenza, con una resistenza a trazione che può essere significativamente superiore rispetto alle comuni leghe di alluminio per pressofusione. Tuttavia, entrambe queste opzioni sono più difficili da stampare e vengono riservate ad applicazioni ad alte prestazioni dove è essenziale una resistenza massima.

2. L'alluminio 6061 può essere utilizzato per la pressofusione?

Sebbene il 6061 sia una lega di alluminio molto diffusa e resistente, non viene tipicamente impiegata nella pressofusione ad alta pressione. La sua composizione chimica e le caratteristiche di solidificazione lo rendono soggetto a difetti come la fessurazione a caldo nelle condizioni di raffreddamento rapido tipiche della pressofusione ad alta pressione. Tuttavia, è comunemente utilizzato in altri processi di fusione come la fusione in stampo permanente con gravità e la fusione in sabbia, dove le velocità di raffreddamento sono più lente e meglio controllate.