Fusione di metalli non ferrosi

I metalli ferrosi sono ampiamente utilizzati nel settore dell'ingegneria per la loro superiorità, la gamma di proprietà meccaniche e i costi inferiori. Tuttavia, i metalli non ferrosi vengono utilizzati anche in varie applicazioni per le loro proprietà specifiche rispetto alle leghe ferrose nonostante il loro costo generalmente elevato. Le proprietà meccaniche desiderate possono essere ottenute in queste leghe mediante incrudimento, incrudimento per invecchiamento, ecc., ma non attraverso i normali processi di trattamento termico utilizzati per le leghe ferrose. Alcuni dei principali materiali non ferrosi di interesse sono l'alluminio, il rame, lo zinco e il magnesio

1. Alluminio

Di tutte le leghe non ferrose, l'alluminio e le sue leghe sono le più importanti per le loro eccellenti proprietà. Alcune delle proprietà dell'alluminio puro per le quali viene utilizzato nel settore metalmeccanico sono:

• 1) Eccellente conduttività termica (0,53 cal/cm/C)
• 2) Eccellente conduttività elettrica (376 600/ohm/cm)
• 3) Bassa densità di massa (2,7 g/cm)
• 4) Basso punto di fusione (658C)
• 5) Eccellente resistenza alla corrosione
• 6) Non è tossico.
• 7) Ha una riflettività tra le più elevate (dall'85 al 95%) e un'emissività molto bassa (dal 4 al 5%)
• 8) È molto morbido e duttile, per questo ha ottime proprietà di lavorazione.

Alcune delle applicazioni in cui viene generalmente utilizzato l'alluminio puro riguardano conduttori elettrici, materiali per alette di radiatori, unità di condizionamento dell'aria, riflettori ottici e di luce, fogli e materiali di imballaggio.

Nonostante le utili applicazioni di cui sopra, l’alluminio puro non è ampiamente utilizzato a causa dei seguenti problemi:

• 1) Ha una bassa resistenza alla trazione (65 MPa) e durezza (20 BHN)
• 2. È molto difficile da saldare o saldare.

Le proprietà meccaniche dell'alluminio possono essere sostanzialmente migliorate mediante lega. I principali elementi di lega utilizzati sono rame, manganese, silicio, nichel e zinco.

L'alluminio e il rame formano il composto chimico CuAl2. Al di sopra della temperatura di 548 C si scioglie completamente nell'alluminio liquido. Quando questo viene spento e invecchiato artificialmente (mantenimento prolungato a 100 - 150°C), si ottiene una lega indurita. Il CuAl2, che non è invecchiato, non ha il tempo di precipitare dalla soluzione solida di alluminio e rame e quindi si trova in una posizione instabile (sovrasatura a temperatura ambiente). Il processo di invecchiamento fa precipitare particelle molto fini di CuAl2, che provocano il rafforzamento della lega. Questo processo è chiamato indurimento della soluzione.

Gli altri elementi di lega utilizzati sono fino al 7% di magnesio, fino all'1,5% di manganese, fino al 13% di silicio, fino al 2% di nichel, fino al 5% di zinco e fino all'1,5% di ferro. Oltre a questi possono essere aggiunti in piccole percentuali anche titanio, cromo e columbio. La composizione di alcune tipiche leghe di alluminio utilizzate nello stampaggio permanente e nella pressofusione è riportata nella Tabella 2.10 con le loro applicazioni. Le proprietà meccaniche attese per questi materiali dopo che sono stati fusi utilizzando stampi permanenti o pressofusione sono mostrate nella Tabella 2.1

2. Rame

Similmente all'alluminio, anche il rame puro trova ampia applicazione grazie alle sue seguenti proprietà

• 1) La conduttività elettrica del rame puro è elevata (5,8 x 105 /ohm/cm) nella sua forma più pura. Qualsiasi piccola impurità riduce drasticamente la conduttività. Ad esempio, lo 0,1% di fosforo riduce la conduttività del 40%.
• 2) Ha una conduttività termica molto elevata (0,92 cal/cm/C)
• 3) È un metallo pesante (peso specifico 8,93)
• 4) Può essere facilmente unito mediante brasatura
• 5) Resiste alla corrosione,
• 6) Ha un colore gradevole.

Il rame puro viene utilizzato nella produzione di cavi elettrici, sbarre collettrici, cavi di trasmissione, tubi e tubazioni per frigoriferi.

Le proprietà meccaniche del rame allo stato puro non sono molto buone. È morbido e relativamente debole. Può essere legato proficuamente per migliorare le proprietà meccaniche. I principali elementi di lega utilizzati sono zinco, stagno, piombo e fosforo.

Le leghe di rame e zinco sono chiamate ottoni. Con un contenuto di zinco fino al 39%, il rame forma una struttura monofase (fase α). Tali leghe hanno un'elevata duttilità. Il colore della lega rimane rosso fino ad un contenuto di zinco del 20%, oltre questo diventa giallo. Un secondo componente strutturale chiamato fase β appare tra il 39 e il 46% dello zinco. Responsabile dell'aumento della durezza è proprio il composto intermetallico CuZn. La resistenza dell'ottone viene ulteriormente aumentata quando vengono aggiunte piccole quantità di manganese e nichel.

Le leghe del rame con lo stagno sono chiamate bronzi. La durezza e la resistenza del bronzo aumentano con l'aumentare del contenuto di stagno. Anche la duttilità si riduce con l'aumento della percentuale di stagno superiore a 5. Quando viene aggiunto anche l'alluminio (dal 4 all'11%), la lega risultante è denominata bronzo-alluminio, che ha una resistenza alla corrosione notevolmente più elevata. I bronzi sono relativamente costosi rispetto agli ottoni a causa della presenza di stagno che è un metallo costoso.

3. Altri metalli non ferrosi

Zinco

Lo zinco è utilizzato principalmente in ingegneria a causa della sua bassa temperatura di fusione (419,4 C) e della maggiore resistenza alla corrosione, che aumenta con la purezza dello zinco. La resistenza alla corrosione è causata dalla formazione di uno strato protettivo di ossido sulla superficie. Le principali applicazioni dello zinco sono nella zincatura per proteggere l'acciaio dalla corrosione, nell'industria della stampa e nella pressofusione.

Gli svantaggi dello zinco sono la forte anisotropia esibita in condizioni deformate, la mancanza di stabilità dimensionale in condizioni di invecchiamento, una riduzione della resistenza agli urti a temperature più basse e la suscettibilità alla corrosione intergranulare. Non può essere utilizzato per servizi a temperature superiori a 95°C perché causerebbe una sostanziale riduzione della resistenza alla trazione e della durezza.

Il suo uso diffuso nelle pressofusioni è dovuto al fatto che richiede una pressione inferiore, il che si traduce in una maggiore durata dello stampo rispetto ad altre leghe per pressofusione. Inoltre, ha un'ottima lavorabilità. La finitura ottenuta dalla pressofusione dello zinco è spesso adeguata a garantire qualsiasi ulteriore lavorazione, fatta eccezione per l'eliminazione delle bave presenti nel piano di divisione.

Magnesio

Grazie alla loro leggerezza e alla buona resistenza meccanica, le leghe di magnesio vengono utilizzate a velocità molto elevate. A parità di rigidità, le leghe di magnesio richiedono solo il 37,2% del peso dell'acciaio C25 risparmiando così in peso. I due principali elementi di lega utilizzati sono l'alluminio e lo zinco. Le leghe di magnesio possono essere colate in sabbia, colate in stampo permanente o pressofuse. Le proprietà dei componenti in lega di magnesio fusi in sabbia sono paragonabili a quelle dei componenti fusi in stampo permanente o pressofusi. Le leghe per pressofusione hanno generalmente un elevato contenuto di rame in modo da consentirne la realizzazione a partire dai metalli secondari riducendo i costi. Sono utilizzati per realizzare ruote di automobili, carter motore, ecc. Maggiore è il contenuto, maggiore è la resistenza meccanica delle leghe lavorate con magnesio, come i componenti laminati e forgiati. Le leghe di magnesio possono essere facilmente saldate mediante la maggior parte dei processi di saldatura tradizionali. Una proprietà molto utile delle leghe di magnesio è la loro elevata lavorabilità. Richiedono solo circa il 15% di potenza per la lavorazione rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio.