vorrei dare anch'io il mio contributo, vedo in ritardo la discussione e quindi scusatemi se ripeto cose già dette.
Riporto qui un mio intervento fatto in un'altra discussione, relativo alle leghe di alluminio.
E' un estratto da una dispensa che ho scritto per i miei allievi dell'ITIS, molto del contenuto è frutto della mia esperienza lavorativa presso una azienda che costruiva componenti per biciclette (Ofmega, che ha cessato l'attività circa 8 anni fa).
Io mi sono occupato, tra l'altro, della progettazione di pedivelle forgiate a freddo in lega 6082 T6.
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1.Designazione delle leghe di alluminio
Le norme UNI prevedono una designazione che tiene conto sia della composizione chimica sia dell’impiego.
La sigla è composta in questo modo:
- un prefisso che indica l’impiego:
- G per le leghe da fonderia;
- P per le leghe da lavorazione plastica;
- Eventualmente queste lettere sono precedute dalla lettera S per indicare le leghe secondarie ottenute da alluminio riciclato;
- La sigla Al
- Gli elementi aggiunti caratteristici della lega, ciascuno seguito da un numero che ne indica il contenuto in percentuale nella lega.
Esempi:
-P-AlSi1MgMn: lega da lavorazione plastica (P) con 1% di silicio e opportune quantità di magnesio e manganese (detta commercialmente “Anticorodal”)
-P-AlCu4,5MgMn: lega da lavorazione plastica (P) con 4,5% di rame e opportune quantità di magnesio e manganese (detta commercialmente “Duralluminio” o “Avional”)
-P-AlMg4,5: lega da lavorazione plastica (P) con il 4,5% di magnesio
-P-AlZn5,8MgCu: lega da lavorazione plastica (P) con il 5,8% di zinco e opportune quantità di magnesio e rame (detta commercialmente “Ergal”)
-G-AlSi13: lega da fonderia (G) con il 13% di silicio
-SG-AlSi7MgMn: lega secondaria (S) da fonderia (G) con il 7% di silicio e opportune quantità di magnesio e manganese
-G-AlSi21CuNiCo: lega da fonderia (G) con il 21% di silicio e opportune quantità di rame, nichel, cobalto (lega speciale per pistoni di motori a combustione interna)
E’ opportuno citare la designazione secondo le norme della Aluminum Association (USA) in quanto tale designazione è spesso adoperata anche da noi per molte leghe commerciali per lavorazione plastica.
La sigla è data da un numero di 4 cifre, così codificate:
Il primo numero indica la famiglia, i tre seguenti la lega, senza una particolare correlazione con la composizione
1xxx alluminio commercialmente puro (Al 99% minimo) e il numero indica il grado di purezza;
2xxx leghe Al – rame
3xxx leghe Al - manganese
4xxx leghe Al - silicio
5xxx leghe Al – magnesio
6xxx leghe Al – magnesio – silicio
7xxx leghe Al – zinco – magnesio - rame
Esempi e corrispondenze:
2.Trattamenti termici delle leghe di alluminio
Alcune leghe si prestano ad essere trattate termicamente per ottenere un grande incremento delle caratteristiche meccaniche.
Le leghe adatte allo scopo sono:
2xxx leghe Al – rame
6xxx leghe Al – magnesio – silicio
7xxx leghe Al – zinco – magnesio - rame
I trattamenti termici applicabili sono:
-bonifica
-invecchiamento
-ricottura
Ci sono delle differenze rispetto ai trattamenti effettuabili sugli acciai.
La bonifica in particolare è l’insieme di due trattamenti successivi:
-tempra di solubilizzazione: riscaldamento in forno a temperatura accuratamente controllata e specifica per ciascuna lega (indicativamente tra i 500°C e i 540°C) e raffreddamento rapidissimo in acqua fredda;
-invecchiamento: trattamento in forno a temperatura controllata (tra i 150°C e i 180°C) per il tempo necessario a far avvenire la trasformazione strutturale, dovuto alla formazione di composti che “induriscono” la struttura della lega.
L’invecchiamento può anche avvenire a temperatura ambiente per alcuni tipi di leghe, in tal caso si parla di invecchiamento naturale; richiede però tempi molto lunghi (settimane) per cui solitamente si preferisce l’invecchiamento artificiale (poche ore in forno).
Una lega trattata termicamente può essere indicata con la sigla seguita dalla lettera T e da un’altra lettera indicante le condizioni: A invecchiamento artificiale, N invecchiamento naturale.
Secondo la designazione AA una lega bonificata è indicata dal suffisso T4 se l’invecchiamento è naturale, T6 se l’invecchiamento è artificiale; il suffisso F indica la lega allo stato naturale dopo la lavorazione plastica a caldo.
Esempio:
7075 T6 corrisponde a P-AlZn5,8MgCu-TA temprata e invecchiata artificialmente
La ricottura ha lo scopo di annullare eventuali trattamenti termici e favorire la lavorabilità per deformazione plastica delle leghe da trattamento termico.
Va detto che un riscaldamento a temperature superiori ai 200°C distrugge gli effetti della bonifica.
Per una ricottura completa è sufficiente un riscaldamento a temperature di 500-550°C seguito da raffreddamento lento.
La sigla è seguita dalla lettera R se la lega è fornita allo stato ricotto.
Inoltre va assolutamente evitato di surriscaldare queste leghe al di sopra dei 580°C per evitare la “bruciatura” ovvero il danneggiamento irreparabile della lega per la fusione parziale della struttura dovuta a riscaldamento prolungato.
Una lega “bruciata” è del tutto inservibile, fragile e di scarsissima resistenza, utile solo come rottame da riciclare in fonderia!
Alcune leghe e loro caratteristiche meccaniche
3.Altre proprietà e applicazioni
Resistenza alla corrosione
La resistenza alla corrosione delle leghe di alluminio è molto varialbile, è generalmente peggiore di quella dell’alluminio puro:
leghe Al-Si: cattiva più è elevato il contenuto di silicio, all’aperto in presenza di acqua si corrodono rapidamente producendo una efflorescenza biancastra;
leghe Al-Mg-Si: ottima, sono dette per l’appunto “anticorodal”
leghe Al-Mg: eccellente anche in ambiente marino, dove è migliore di quella dell’alluminio puro;
leghe Al-Cu e Al-Zn-Mg-Cu: cattiva o pessima, vanno protette dalla corrosione che può avere conseguenze disastrose, sotto forma di rotture fragili senza preavviso (corrosione a lama di coltello, corrosione intergranulare) specie su particolari soggetti a sollecitazioni elevate o di fatica.
Lavorabilità alla macchina utensile
Al contrario degli acciai, le leghe di alluminio dure (temprate e invecchiate) sono meglio lavorabili alla macchina utensile perchè il truciolo si spezza oppure fluisce senza aderire all’utensile.
Le leghe allo stato ricotto e l’alluminio puro sono difficilmente truciolabili perchè tendono ad “impastare” l’utensile. Sono necessari utensili opportuni, affilati con estrema cura e si devono impiegare lubro-refrigeranti speciali.
La velocità di taglio può superare senza problemi i 1000 m/min.
Le leghe contenenti silicio, come quelle per pistoni in cui il silicio supera il 20%, sono difficilmente lavorabili perchè il silicio forma dei cristalli molto duri che consumano rapidamente gli utensili e la finitura superficiale che si ottiene è spesso pessima.
In questo caso si ottengono eccellenti risultati con utensili aventi il tagliente in diamante policristallino, dal costo elevatissimo ma in grado di resistere perfettamente all’azione abrasiva del silicio.
Servono macchine adatte, potenti e molto stabili per garantire le elevatissime velocità di taglio richieste da questi utensili.
Saldabilità
La saldatura delle leghe di alluminio non sempre è possibile e richiede procedimenti appositi.
Sono saldabili facilmente le leghe Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg a patto che non contengano rame se non in piccolissima quantità.
I procedimenti più adatti sono TIG, saldatura con elettrodi in tungsteno sotto gas protettivo inerte (argon) e MIG a filo con gas inerte (argon), mentre la saldatura con elettrodo rivestito è adatta solo per applicazioni di scarsa importanza.
Le leghe Al-Si e Al-Cu non sono saldabili perchè si ottiene un giunto di resistenza meccanica non soddisfacente e soprattutto con pessima resistenza alla corrosione che è drastica e deleteria nella zona saldata.
Anodizzazione
L’ossidazione anodica della superficie dei manufatti in lega di alluminio è una tecnica molto adatta per creare un rivestimento resistente alla corrosione, all’usura e decorativo.
Viene eseguita in apposite celle elettrolitiche, in bagni acidi mediante l’azione della corrente elettrica.
Se lo spessore è limitato (pochi millesimi di millimetro) si parla di anodizzazione decorativa, eventualmente colorabile mediante procedimenti particolari.
Spessori elevati (0,05 – 0,1 mm) sono adatti dove è richiesta una grande resistenza all’usura, ad esempio per gli steli delle forcelle di biciclette e moto.
Le leghe più adatte sono le Al-Mg-Si.
Tra le leghe dure, l’Ergal non dà sempre buoni risultati estetici con l’anodizzazione, l’Avional è inadatto in quanto il rame lo rende facilmente corrodibile.
Bibliografia:
D. Altenpohl, Uno sguardo all'interno dell'alluminio, Tecnomedia Milano
D. Veschi, L'alluminio e le leghe leggere, Hoepli, Milano
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Solitamente per i telai vengono impiegati tre tipi di lega leggera:
5083: usata per telai di bassa gamma, facilmente saldabile ma non trattabile termicamente;
6061 (P-AlMg1SiCuCr): simile alla 6082, trattabile termicamente ma richiede tempra e invecchiamento artificiale per raggiungere le migliori caratteristiche
7020 (P-AlZn4,5Mg1,2MnCr) : lega Al-Zn-Mg trattabile termicamente, il giunto saldato è "autotemprante" ma la zona termicamente alterata perde comunque le sue proprietà, difatti molte rostture avvengono proprio nel metallo base in prossimità del cordone di saldatura.
In Ofmega tutti i particolari in lega leggera (pedivelle, mozzi, corone) erano trattati termicamente dopo le operazioni di formatura (stampaggio o pressocolata) e prima delle lavorazioni meccaniche.
Le corone venivano ricavate per lavorazione meccanica da lastra di 2014 T6 per quelle pregiate, mentre per quelle economiche usvamo 5083 H50 (nastro incrudito a freddo) con durezza HB
2,5/62,5 > 100.
Per le pedivelle in 6082 T6 il trattamento termico era un passaggio molto critico tanto che i lotti di prova, trattati da un trattamentista del bresciano, non erano soddisfacenti al punto che dovemmo ricorrere ad un trattamentista del bolognese per avere la necessaria garanzia di costanza e quindi di rispondenza alle specifiche di progetto e d'uso.
Ho studiato e lavorato sulle problematiche della rottura a fatica che rappresenta una delle cause più ricorrenti di cedimento di un telaio di bicicletta.
Questo può avvenire dopo un periodo più o meno lungo in ragione delle caratteristiche del telaio (forma e dimensionamento) e dell'uso.
Per quanto riguarda i materiali compositi vi sono delle problematiche del tutto diverse, ma su questo magari tornerò in seguito.
Tornando alla questione della fatica nei materiali metallici (e non solo) intendo sottolineare questi concetti:
- la rottura per fatica è tipica dei conponenti soggetti a sollecitazioni cicliche o casuali ripetute nel tempo;
- i materiali hanno un comportamento a fatica caratteristico per ogni lega;
- le leghe ferrose (acciai) presentano un cosiddetto "limite di fatica" al di sotto del quale non si manifestano rotture per fatica;
- le leghe leggere al contrario non presentano limite di fatica, la rottura si manifesterà in un tempo più o meno lungo in ragione del carico applicato;
- vi sono fattori geometrici che influenzano limite e durata a fatica;
- vi sono fattori ambientali che influenzano limite e durata a fatica;
Un'altra cosa: leggendo la discussione, in verità un po' frettolosamente, mi sono accorto che non è molto chiaro il concetto di rigidezza di una struttura.
La rigidezza (relazione carichi/deformazioni in campo elastico) dipende dai seguenti fattori:
- geometria della struttura (momento d'inerzia)
- materiale (modulo di elasticità)
Poi c'è un terzo fattore, meolto diffficile da valutare, che è lo smorzamento delle vibrazioni, più elevato nell'acciaio e minimo nell'alluminio, mentre nei compositi può essere ottimizzato con una opportuna scelta delle fibre e della matrice plastica che le ingloba.
Non è detto che una struttura in alluminio sia più rigida o più elastica di una in acciaio, o che un telaio in composito sia più elastico di uno in alluminio e così via, questo dipende dalla combinazione di moti fattori.
Ovvero dipende dal progetto:
- se prendo un telaio in acciaio di vecchio tipo, con tubazioni di piccolo diametro e lo realizzo in alluminio con tubazioni dello stesso diametro ma di spessore diverso per avere la stessa resistenza a rottura (ma in sostanza un momento d'inerzia delle sezioni pressochè simile), otterrò una struttura dalla rigidezza pessima tanto da far rimpiangere il caro vecchio acciaio;
- se invece progetto la struttura per una rigidezza simile dovrò usare delle tubazioni in alluminio di diametro maggiore;
- se progetto la struttura confidando nella libertà concessa dalle tecniche di formatura dell'alluminio potrò ottimizzare la rigidezza tanto che un telaio in acciaio sembrerà una molla...
Il problema, ripeto, è di uso intelligente dei materiali.
Per parlarne a fondo dovrei scrivere un trattato (non credo di esserne in grado) e comunque non basterebbe certo lo spazio qui a disposizione.
