Trattamento termico delle leghe dall’alluminio

Le leghe di alluminio hanno visto negli ultimi anni un forte incremento nell’utilizzo in campo automobilistico per l’eccellente resistenza rapportata al peso dei manufatti prodotti. Difatti, una delle principali sfide nel campo automotive è l’alleggerimento del veicolo in virtù dell’impatto ambientale delle autovetture. I materiali leggeri, ed in particolare l’alluminio, offrono la possibilità concreta di venire incontro alle richieste di vetture più leggere che comportano di conseguenza minori consumi di combustibile e, quindi, minore immissione di gas combusti nell’atmosfera. Le leghe di fonderia tra cui per esempio le AlSi (e derivate Al-Si-Mg) scelte per la loro eccellente colabilità, sono fabbricate tramite diversi processi di colata, tra i quali quello in conchiglia oppure da pressofusione . Successivamente tali leghe sono sottoposte a trattamento termico per massimizzare le proprietà meccaniche ottenibili. Il tutto viene effettuato attraverso un indurimento per solubilizzazione e precipitazione. Il trattamento di solubilizzazione mira ad ottenere una microstruttura il più omogenea possibile, solubilizzando tutti gli elementi di lega (soluto) all’interno della matrice, ed il successivo invecchiamento induce i precipitati per nucleazione ed accrescimento, al fine di ottenere un indurimento per precipitazione.

Le proprietà meccaniche dei getti sono strettamente legate alla microstruttura del materiale che è determinata da composizione chimica e condizioni di colata del getto.

È quindi importante valutare i parametri strutturali del getto di partenza

La qualità delle proprietà ottenute dal trattamento termico è strettamente legata alla qualità della fusione del materiale di partenza è quindi importante valutarne la presenza di difetti.

Trattamento termico:

Trattamenti T6 (tempra di solubilizzazione ed invecchiamento artificiale) o T7 (tempra di solubilizzazione e sovra-invecchiamento) che presentano differenze riguardanti le proprietà meccaniche. I trattamenti vengono fatti in un forno continuo di classe 4 con uniformità di ±10°C dotato di tre sistemi per il raffreddamento dopo solubilizzazione (tempra in acqua, sistema di doccia mediante acqua nebulizzata, sistema di raffreddamento in aria forzata.). In seguito alla solubilizzazione i particolari vengono trasportati automaticamente nella camera di preriscaldo del forno di invecchiamento in classe 2 uniformità di ±6°C. Trattamento di tempra di solubilizzazione

La tempra consiste in un raffreddamento rapido della lega da una temperatura determinata fino alla temperatura ambiente. La temperatura di solubilizzazione viene scelta al gradiente ottimale per solubilizzare la massima parte possibile dell’elemento indurente. L’obiettivo di tale trattamento è massimizzare il tenore in soluzione degli elementi di lega il cui trattamento successi- vo di invecchiamento farà precipitare finemente all’interno della matrice di alluminio. La permanenza alla temperatura di solubilizzazione deve essere sufficientemente lunga da permettere di solubilizzare la totalità degli elementi in lega. Tale parametro deve tenere conto del tipo di lega e delle fasi di processo precedenti di fabbricazione quali fusione, pressofusione, lavorazione plastica e dimensione dei pezzi.

Invecchiamento artificiale

Il processo di invecchiamento artificiale consiste nel mantenimento di una lega allo stato di soprassaturazione ad una certa temperatura tale da indurre precipitazione critica dei componenti solubilizzati. L’indurimento avviene secondo le seguenti fasi:

1) formazione agglomerati atomici di soluto detti “zone GP (Guiner e Preston),

2) formazione di agglomerati più densi e precipitati stabili indurenti a partire dalle zone GP,

3) generazione a partire dalla fase precedente di un precipitato semi coerente con la matrice di alluminio che per fenomeno microstrutturale di rafforzamento produce durezza e l’aumento delle caratteristiche meccaniche. Il prolungamento eccessivo di questo processo incide sulle dimensioni dei precipitati in modo tale i da produrre un decadimento dell’effetto di indurimento. Il massimo dell’indurimento viene quindi ottenuto quando la concentrazione di zone di GP e precipitati fini in dispersione critica per unità di volume è massima. Ciò avviene per effetto dei movimenti delle dislocazioni esercitato da tali disomogeneità. In conclusione l’indurimento dovuto al processo di invecchiamento di una lega soprassatura è una conseguenza di fenomeni di riprecipitazione di composti caratterizzati da proprietà indurenti in ragione della propria natura e della possibilità di precipitare con le modalità descritte in precedenza. Anche variazioni piccole dei componenti di alligazione possono indurre a non lievi variazioni sull’andamento delle curve relative alle caratteristiche fisico meccaniche ottenibili.

Le leghe nello stato metallurgico T7 sono definite sovra invecchiate. Tale trattamento viene utilizzato nei casi in cui risulta particolarmente critica la stabilità dimensionale e termodinamica soprattutto per particolari operanti ad alte temperature e per minimizzare eventuali stress residui e quindi ottimizzare le lavorazioni meccaniche successive e diminuire l’infragilimento del componente.

Velocità di raffreddamento

Nello svolgimento della tempra di solubilizzazione la velocità di raffreddamento gioca un ruolo fondamentale nell’ottenere una soluzione solida soprassatura senza inizio di precipitazione. Tale velocità è detta velocità critica di tempra. In funzione del metodo di spegnimento si possono sottoporre i particolari a diverse “drasticità di tempra”; la tempra mediante immersione in liquido risulta il metodo più efficiente per la dissipazione del calore accumulato, mentre si ottengono raffreddamenti più lenti con il metodo di aria forzata. In questo caso il particolare è sottoposto all’azione di un sistema di corrente d’aria che dissipa il calore per conduzione. Con quest’ultimo sistema si realizza un gradiente termico di raffreddamento modesto rispetto a quello ottenibile con tempra in liquido permettendo quindi di realizzare una tempra meno drastica.

Un metodo intermedio ai due precedenti consiste nel raffreddare i pezzi estratti dal forno mediante nebulizzazione di acqua (fog quenches).

La drasticità di tempra più elevata e il ritardo di tempra contenuto in pochi secondi sono le condizione migliori per trattenere la massima parte di costituenti attivi, conferendo così ottime proprietà meccaniche e resistenza a corrosione dopo il t.t. . La drasticità di tempra può indurre ad elevati stati tensionali e deformazioni per le quali le procedure di recupero risultano a volte molto costose, quando e se applicabili. Le tensioni che si generano nelle leghe di alluminio sono esaltate dalla diversa velocità di raffreddamento tra superficie ed il cuore, fra sezioni di spessore diverso nello stesso pezzo e dal decadimento delle caratteristiche di plasticità del materiale man mano che la temperatura diminuisce.

Conclusioni:

La tempra in acqua presenta migliori caratteristiche meccaniche sui particolari sottoposti a trattamento termico, ma può presentare controindicazioni riguardo le tensioni residue interne e le distorsioni nel caso di geometrie complesse. I metodi di spegnimento in acqua nebulizzata oppure aria forzata producono proprietà meccaniche meno brillati ma con minor rischio di rotture o tensionamenti del materiale. Riassumendo, è importante quindi conoscere la qualità strutturale del materiale di partenza in termini di difetti e finezza della microstruttura e valutare il metodo di spegnimento opportuno durante il T6 - T7 in funzione della geometria e lo spessore del particolare. Tale accorgimento è necessario per ottenere il miglior compromesso possibile tra caratteristiche meccaniche/stabilità alla corrosione ed eventuali variazioni dimensionali.

Possiamo quindi concludere che la scelta del trattamento T6 T7 con diverse opportunità di velocità di raffreddamento a seguito della solubilizzazione è subordinata alla complessità della figura della fusione, ai rischi di deformazione ed alle tensioni residue a seconda della criticità del componente costruito in lega di alluminio.