Le leghe di alluminio colabile offrono diverse proprietà meccaniche. I tipi più comuni includono A356, A357 e A380. Trattamenti termici come il T6 migliorano la resistenza. Sono utilizzate nei settori automobilistico, aerospaziale e dell'ingegneria generale. Le proprietà chiave sono la resistenza alla trazione, l'allungamento e la durezza. La scelta della lega dipende dalle esigenze applicative.

In questo articolo, si forniranno le nozioni di base sui diversi tipi di leghe di alluminio colabili.

Panoramica delle leghe di alluminio colabili

Definizione e importanza

Esistono molte leghe per la fusione. Alcune di queste sono leghe di alluminio. L'alluminio contiene una miscela di altri elementi (come il magnesio o il silicio). Questo produce le sue diverse leghe.

L'alluminio fonde a temperature di circa 660 °C. Questa forma fusa viene poi introdotta nello stampo per assumere la forma del profilo.

Grazie al loro peso ridotto, con una densità di 2,7 g/cm³, queste leghe sono tre volte più leggere dell'acciaio. Questo è il motivo per cui sono adatte a molte applicazioni. Ad esempio, automobili, aerei e macchine.

Inoltre, resistono bene alla corrosione e possono essere realizzati in qualsiasi forma, pur essendo robusti.

Composizione e proprietà delle leghe di alluminio colabili

Composizione della lega

La formazione di leghe di alluminio colabile comprende la composizione di molti elementi. Ad esempio, l'alluminio può contenere silicio (5-12%), magnesio (0,2-10%), rame (1-4%) o zinco (1-3%).

Il silicio fonde a 577°C e riempie meglio gli stampi. Nel frattempo, il magnesio aiuta a ottenere una maggiore resistenza, in quanto forma precipitati fini. Il rame sviluppa la durezza.

Ad esempio, nella lega A380 sono presenti 8-10% di silicio e 3-4% di rame. Per questo motivo, offrono un'elevata fluidità, con una diffusione su spazi dello stampo fino a 0,1 mm.

Ruolo degli oligoelementi

Piccole quantità di elementi come il ferro (<1%) impediscono l'adesione agli stampi e il manganese (0,5%) migliora la resistenza alla corrosione.

La fusione di leghe di alluminio evita l'incollaggio della forma semplicemente grazie al contributo di piccole quantità di oligoelementi come il ferro (<1%).

Allo stesso modo, resistono bene alla corrosione e hanno grani più piccoli grazie al manganese (0,5%) e al titanio (0,2%), rispettivamente. Di conseguenza, si riducono anche le cricche.

Struttura e composizione microscopica

L'immagine citata mostra l'effetto della composizione sulla struttura dei grani. Ad esempio, la grana grossa (50-100 µm di larghezza) si presenta nella fase iniziale della colata.

Gli elementi di silicio (10-20 µm) ottengono un'elevata resistenza, bloccando le dislocazioni. Nel frattempo, la nucleazione si forma in un punto dei confini dei grani (GB). I nuclei crescono fino allo stato della matrice durante il raffreddamento.

Proprietà meccaniche e fisiche

Resistenza e duttilità:

Le leghe colabili hanno resistenze alla trazione che variano tra 200 e 380 MPa. Ad esempio, l'a356 raggiunge 280 MPa ed è estensibile (10%) subito prima della rottura.

Allo stesso modo, il trattamento termico (ad esempio, tempra T6) induce nell'A356 una maggiore resistenza di 20% e una duttilità di 8%. Ciò si ottiene riscaldando le leghe a 500°C, raffreddandole con acqua e invecchiandole a 150°C per 5 ore.

Resistenza alla corrosione

Quando una lega contiene magnesio (ad esempio, 520.0 con 10% Mg), ottiene uno strato di ossido protettivo. Ciò significa che possono competere contro la corrosione per 15-20 anni in ambienti marini.

Negli LM6, la composizione ad alto contenuto di silicio previene la corrosione da acqua salata. Di conseguenza, continuano a funzionare a 50 Mpa di pressione nei prodotti subacquei.

Conducibilità termica ed elettrica

Le leghe come la 319 hanno 6% Si e 3% Cu. Pertanto, conducono il calore a 150 W/m-K. Questo è ciò che le rende la scelta migliore tra i componenti del motore.

Inoltre, hanno una bassa densità, pari a circa 2,7 g/cm³. Migliorano l'efficienza dei consumi (10%) grazie al loro peso ridotto, soprattutto nelle automobili.

Impatto del trattamento termico

I produttori eseguono il trattamento termico per ridurre i vuoti e affinare i grani. Ad esempio, la fase di invecchiamento aumenta la durezza da 80 HB a 95 HB in leghe come l'ADC12.

Inoltre, il processo di ricristallizzazione (che si verifica nell'immagine) causa un restringimento dei grani fino a 10-20 µm. Di conseguenza, la lega ottiene una maggiore resistenza alla fatica (30%).

Tipi comuni di leghe di alluminio

A380

Nella lega di alluminio colabile dell'A380 sono presenti 8-10% di silicio, 3-4% di rame e meno di 1% di ferro. Le particelle di silicio hanno un punto di fusione più basso. Ciò significa che scorrono senza problemi negli stampi, riempiendo ogni spazio.

La durezza è migliore grazie agli elementi di rame, che la rendono ideale per le parti ad alta sollecitazione. Ecco perché questa lega da 320 MPa crea staffe per motori e alloggiamenti elettronici.

Riempie correttamente gli spazi vuoti e causa meno difetti. Inoltre, questa lega si raffredda più rapidamente, riducendo i tempi di produzione di circa 15%.

A356

La lega A356 contiene silicio e magnesio (rispettivamente 7% e 0,3%). Per questo motivo offre una migliore fluidità e resistenza.

Questa lega ha una resistenza alla trazione di circa 280 MPa e una duttilità di 12%. Pertanto, possono allungarsi fino a 12% prima di rompersi.

La lega a356 può essere utilizzata per produrre ruote per aerei e automobili, parti di sospensioni, carrelli di atterraggio per aerei e telai di ali.

Ha inoltre la proprietà unica di resistere a temperature di 200°C per 500 ore. Anche a questo punto, non si rompe facilmente.

Dopo il trattamento termico, questa lega presenta una maggiore resistenza (20%). Sono quindi ideali per l'impiego in applicazioni aerospaziali.

6061

La lega 6061 è composta da 1% di magnesio, 0,6% di silicio e 0,3% di rame. Questi elementi, come il magnesio, aumentano la capacità di bloccare la corrosione. Questa lega dura 20 anni all'aperto e non arrugginisce.

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La resistenza alla trazione (310 Mpa) della lega 6061 la rende utile per ponti, travi e parti di telaio come bracci di sospensione e telai marini. La sua bassa densità contribuisce a renderla 60% più leggera dell'acciaio.

ADC12

Contenente 10-20% di silicio e 2-3% di rame, la lega ADC12 è molto popolare. Il silicio contenuto in questo metallo consente una colata liscia, mentre il rame ne aumenta la durezza.

Il trattamento termico modifica la durezza, portandola a 95 HB. (Brinell). Questa lega è utilizzata per produrre parti come blocchi motore di automobili, alloggiamenti per smartphone e scatole del cambio.

Inoltre, è in grado di assumere profili di forma complessa in 30 secondi, con un risparmio di produzione fino a 25%.

LM25

La lega LM25 si ottiene aggiungendo 0,3% di magnesio e 7% di silicio. Inoltre, la sua resistenza alla trazione raggiunge i 260 MPa a 200 °C. Offre una buona colabilità per la produzione di alloggiamenti di pompe, strutture marine e valvole idrauliche.

Le sue pareti fuse in sabbia sono sottili fino a 1 mm; questa è la sua caratteristica unica. Pertanto, l'LM25 è adatto alla produzione di progetti leggeri.

LM6

Nella lega LM6 sono presenti 10-13% di silicio e meno di 0,1% di magnesio. Grazie alla maggiore quantità di silicio, questa lega non si corrode facilmente. Può sopravvivere a 50 MPa di pressione in acqua di mare.

I produttori lo utilizzano per la fusione di eliche di imbarcazioni e raccordi di banchina. Per anni, funzionano in acqua salata senza arrugginire. Questo riduce anche i costi di manutenzione fino a 40%.

520.0

La lega di alluminio colabile 520.0 ha 10% di magnesio e 0,1% di silicio. Questa combinazione di elementi aumenta la resistenza alla trazione (380 MPa) e riduce il peso fino a 50%.

Si possono utilizzare per realizzare staffe aerospaziali, alloggiamenti per razzi e attrezzature militari. Un'altra caratteristica è la capacità di gestire vibrazioni intorno ai 500 Hz, senza presentare crepe.

319

Questa lega contiene 6% di silicio e 3% di rame. Il silicio migliora la fluidità, ma il rame ottiene una migliore conducibilità termica (150 W/m-K).

Vengono fusi per realizzare teste di cilindri e dissipatori di calore. Offrono la massima precisione nelle parti, come ±0,02 mm, e si adattano perfettamente ai motori.

413

La lega 413 comprende 12% di silicio e 2% di ferro. Per questo motivo offre una tenuta alla pressione di circa 50 MPa. I componenti, come le pompe e le valvole idrauliche, sono le loro applicazioni.

Inoltre, questa lega sigilla le perdite negli spazi vuoti, che possono essere minuscoli come 0,5 mm, consentendo un risparmio di fluido.

535

I produttori aggiungono 7% di magnesio e 0,15% di silicio nella composizione della lega 535. La sua resistenza alla corrosione è conforme all'esattezza in ambienti con pH 8-10 come l'acqua di mare.

Vengono utilizzati per produrre scafi di navi e piattaforme offshore, oltre che per saldare a 300°C. Non si rompono a questa temperatura e possono durare 25 anni in condizioni marine.

Processi di fusione per leghe di alluminio

Pressofusione

Il processo di pressofusione prevede la fusione della lega di alluminio e la sua iniezione nello stampo ad alta pressione. I pezzi vengono fusi in non più di 10-30 secondi e il risultato ottenuto soddisfa parametri rapidi e precisi.

Tra le altre leghe, l'A380 e l'ADC12 sono le più utilizzate per la produzione di supporti per motori di automobili e maniglie di porte di aerei.

Colata in sabbia

Il processo di colata in sabbia utilizza stampi di sabbia. La loro granulometria oscilla tra 0,10 e 0,5 mm. Questo processo è adatto alla produzione di pezzi come i blocchi motore. È molto più conveniente (50%) della pressofusione, ma non dà superfici lisce.

Colata a iniezione

Colata a iniezione comprende modelli in cera con rivestimenti in ceramica. Producono pezzi aggiungendo elementi dettagliati, come le pale delle turbine.

Inoltre, consente di ottenere tolleranze più strette di circa ±0,05 mm, ma richiede tempi molto lunghi (48 ore per stampo).

Sfide e soluzioni nella fusione dell'alluminio

Difetti di fusione

Le leghe di alluminio colabili causano difetti come porosità e ritiro, che indeboliscono i pezzi. È proprio per questo che è necessario ricorrere alla colata sottovuoto per ridurre la porosità fino a 70%.

Per migliorare la rugosità superficiale (fino a 12,5 µm), è importante la pallinatura con sfere da 0,5 mm a 80 psi.

Inoltre, il preriscaldamento degli stampi prima di iniettare la lega fusa evita l'appiccicosità e riempie le aree interne con una migliore fluidità.

Selezione della lega

La scelta della lega sbagliata può rovinare l'intero progetto. Per esempio, l'A380 è più adatto a parti di veicoli a pareti sottili.

Nel frattempo, LM6 crea una resistenza che affronta l'acqua di mare. ADC12 riempie le fessure più piccole in non più di 30 secondi, ma può rompersi in caso di surriscaldamento oltre i 600°C.

Sfide del trattamento termico

La zona calda dei forni riscalda le leghe. L'uso di una temperatura di 500 °C e il funzionamento per 4 ore conferiscono loro caratteristiche forti.

La vasca di tempra in questo processo aiuta a prevenire le cricche, in quanto raffredda i pezzi a 10°C/min. La temperatura di raffreddamento, tuttavia, non deve essere scarsa. Questo perché si rischia la fragilità. Ad esempio, la tempra giusta porta la resistenza della 20% alla lega 6061.

Conclusione:

Le leghe di alluminio colabile sono molto importanti in molti settori come quello automobilistico, aerospaziale, industriale o dei prodotti di consumo. Sono leggere e quindi riducono il consumo di carburante.

Inoltre, grazie alla loro capacità di arrestare la corrosione, possono durare più di 25 anni. Questo è anche il motivo per cui sono più esigenti in ambienti difficili.

Se ci sono problemi come il ritiro o la porosità, è possibile risolverli con tecniche particolari. Realizzate quindi prodotti versatili utilizzando leghe di alluminio a vostra scelta.