Fusione di metalli non ferrosi

I metalli ferrosi sono ampiamente utilizzati nell'industria meccanica a causa della loro superiorità, gamma di proprietà meccaniche e costi inferiori.Tuttavia, i metalli non ferrosi sono 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, indurimento 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 alluminio, rame, zinco e 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 cui viene utilizzato nell'industria metalmeccanica sono:

• 1) Eccellente conducibilità termica (0,53 cal/cm/C)
• 2) Eccellente conducibilità elettrica (376 600/ohm/cm)
• 3) Bassa densità di massa (2,7 g/cm)
• 4) Basso punto di fusione (658°C)
• 5) Eccellente resistenza alla corrosione
• 6) Non è tossico.
• 7) Ha una delle più alte riflettività (da 85 a 95%) e un'emissività molto bassa (da 4 a 5%)
• 8) È molto morbido e duttile per cui ha ottime proprietà di fabbricazione.

Alcune delle applicazioni in cui viene generalmente utilizzato l'alluminio puro sono nei conduttori elettrici, nei materiali delle alette dei radiatori, nelle unità di condizionamento dell'aria, nei riflettori ottici e di luce, nelle pellicole e nei 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.

Alluminio e rame formano il composto chimico CuAl2.Al di sopra di una temperatura di 548 C si dissolve completamente in alluminio liquido.Quando questo viene spento e invecchiato artificialmente (mantenendo a lungo a 100 - 150°C), si ottiene una lega indurita.Il CuAl2, che non viene invecchiato, non ha il tempo di precipitare dalla soluzione solida di alluminio e rame e si trova quindi in posizione instabile (supersatura a temperatura ambiente).Il processo di invecchiamento precipita particelle finissime 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 di questi materiali dopo che questi sono stati colati utilizzando stampi permanenti o pressofusione sono mostrate nella Tabella 2.1

2. Rame

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

• 1) La conducibilità 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 conducibilità 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 per frigoriferi e tubazioni.

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

Le leghe di rame e zinco sono dette 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%, ma oltre diventa giallo.Un secondo componente strutturale chiamato fase β appare tra il 39 e il 46% di zinco.In realtà è il composto intermetallico CuZn che è responsabile dell'aumento della durezza.La forza dell'ottone aumenta ulteriormente quando vengono aggiunte piccole quantità di manganese e nichel.

Le leghe di rame con stagno sono dette bronzi.La durezza e la forza del bronzo aumentano con una piega del contenuto di stagno.La duttilità si riduce anche con l'aumento della percentuale di stagno superiore a 5. Quando viene aggiunto anche alluminio (dal 4 all'11%), la lega risultante viene chiamata bronzo alluminio, che ha una resistenza alla corrosione notevolmente superiore.I bronzi sono relativamente costosi rispetto agli ottoni a causa della presenza dello 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 un rivestimento protettivo di ossido sulla superficie.Le principali applicazioni dello zinco sono nella zincatura per proteggere l'acciaio dalla corrosione, nell'industria della stampa e per la pressofusione.

Gli svantaggi dello zinco sono la forte anisotropia che si manifesta in condizioni deformate, la mancanza di stabilità dimensionale in condizioni di invecchiamento, una riduzione della resistenza all'urto a temperature più basse e la suscettibilità alla corrosione intergranulare.Non può essere utilizzato per servizi al di sopra di una temperatura di 95°C perché causerà una sostanziale riduzione della resistenza alla trazione e della durezza.

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

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 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 stampi permanenti 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 alto contenuto di rame in modo da consentire loro di essere ricavate dai metalli secondari per ridurre i costi.Sono utilizzati per la fabbricazione di ruote di automobili, carter, ecc. Maggiore è il contenuto, maggiore è la resistenza meccanica delle leghe di 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.