Modifiche della composizione chimica della lega senza perdita di caratteristiche specifiche

Il caso delle leghe al piombo sostituite da leghe allo stagno, sempre 6xxx, che mantengono ottime caratteristiche di taglio rapido e lavorabilità all’utensile

di Giuseppe Giordano

La ricerca per la sostituzione del piombo nelle leghe a taglio rapido ha portato allo sviluppo di sistemi di leghe quali Ultra Alloy 6020 di Alcoa adottata in sostituzione della lega 6262. Quest’ultima è una lega 6xxx con un tenore di piombo intorno allo 0,5%, sufficiente a conferire a barre e tubi realizzati con questo materiale un’ottima lavorabilità all’utensile. Nella Ultra Alloy il ruolo dell’elemento basso fondente che consente la rottura del truciolo durante le lavorazioni all’utensile viene svolto dallo stagno. E’ molto interessante notare che le leghe Ultra Alloy negli stati T651, T8 e T9, oltre a superare la pericolosità ambientale determinata dalla presenza di piombo, mostrano prestazioni più elevate di lavorabilità, raggiungendo valori del parametro di macchinabilità utilizzato nel settore automotive superiori a quelli della 6262 al piombo (coefficiente Ultra Alloy 90 su scala 100). Parallelamente ad Alcoa con Ultra Alloy 6020, Eural ha sviluppato in Italia la lega denominata 6262A, la cui composizione ricade nei limiti della 6262 come mostrato in Tabella 1, a parte la fondamentale sostituzione del piombo con lo stagno. Nella Tabella 2 sono riportati i valori delle caratteristiche meccaniche delle diverse leghe negli stati fisici (T651; T8; T9) nei quali sono commercializzate.

Le leghe alluminio-litio per aeronautica e applicazioni ad alta resistenza
Quando si guarda allo sviluppo del trasporto aereo, non si ha sempre l’esatta percezione del peso industriale di tale settore. Le previsioni di Boeing indicano la necessità di nuovi velivoli civili in tutte le regioni del mondo. Si tratta di un numero complessivo non lontano da 40.000 unità per un valore economico pari a circa 6.000 miliardi di dollari. Si noti che tale valore si riferisce alla sola aviazione civile e non comprende elicotteri e droni. Il settore ha perciò un valore strategico per l’industria dell’alluminio, che nel settore civile intende anche recuperare alcune posizioni perse a favore dei materiali compositi organici, sia con offerte economiche volte alla riduzione dei costi sia con proposte tecnologicamente innovative.
In questo panorama un ruolo fondamentale è affidato alle leghe alluminio-litio o più precisamente a una nuova generazione di leghe al litio per le quali sono state ristudiate le composizioni e il processo produttivo. L’utilizzo di leghe al litio è un’interessante opportunità per molte applicazioni, in particolare per le strutture aeronautiche (Figura 1), ma l’evoluzione della famiglia di leghe coinvolge anche applicazioni in settori diversi, dai trasporti terrestri alle attrezzature sportive. Le leghe alluminio-litio consentono di ottenere un sensibile incremento della prestazione di diversi particolari. I semilavorati utilizzati possono essere semi prodotti laminati e/o estrusi oltre ai molti particolari ottenibili da getti di fonderia. Le leghe al litio più usate provengono dalla famiglia Al-Cu-Li con concentrazione in peso di rame maggiore di quella di litio. Il loro impiego costituisce un’innovazione profonda nella metallurgia delle leghe leggere, ma va ricordato che non sono una novità nel panorama delle leghe di alluminio. I primi studi sulla precipitazione indurente di queste leghe sono stati condotti già negli anni ‘20 del secolo scorso.
L’interesse per le leghe al litio può essere riassunto nei seguenti punti:
1. la bassa densità del litio fa sì che per ogni sua aggiunta di un 1% la densità di volume della lega a parità di peso diminuisca di circa il 3%;
2. un’aggiunta di litio pari all’1% in peso fa diminuire il modulo di elasticità di circa il 6%;
3. le leghe al litio sono caratterizzate da un processo di precipitation hardening efficace che determina strutture alto resistenziali. Inoltre, le nuove versioni di queste leghe contenenti aggiunte minori di zirconio e/o di scandio presentano una resistenza alla propagazione delle cricche nettamente migliorata e una maggiore plasticità.
Le principali criticità da tenere sotto controllo derivanti dall’alligazione con il litio e segnalate da sempre in letteratura sono:
1. elevati tenori di Li determinano un aumento generale della fragilità;
2. sussiste una condizione di pericolosità per ossidazione violenta del litio in presenza di umidità;
3. le peculiarità del litio richiedono un controllo accurato della composizione dei rottami.
In realtà la riduzione, e per alcuni aspetti il completo superamento dei potenziali fattori negativi collegati alla presenza di litio, sono alla base dello sviluppo della nuova generazione di leghe al litio che oggi vengono prodotte con tecniche di fonderia sicure, mentre la riciclabilità di scarti e rottami al litio ha raggiunto livelli di efficienza e convenienza economica paragonabili a quelli di altri sistemi di leghe di alluminio.
Nella Tabella 3 si riportano i valori del tenore di rame, magnesio e litio di alcune delle leghe oggi più utilizzate. Si può notare che il tenore di litio non supera mai il 2%.
Un maggiore approfondimento è stato dedicato alla lega Constellium Airware® 2065 T8511(*), specificatamente utilizzata per componenti estrusi, la cui composizione di norma è riportata nella Tabella 4.
La presenza di un ridotto quantitativo di argento nella composizione della lega al litio sopra riportata ha motivazioni analoghe a quelle per la stessa presenza in leghe Al-Cu-Mg alto resistenziali tra le quali è molto conosciuta la lega per getti di fonderia K-01.
La presenza di argento favorisce la precipitazione dopo tempra di solubilizzazione di un precipitato di rame e magnesio. La microstruttura risultante ha una resistenza alla tensocorrosione nettamente superiore rispetto a quella che si riscontra nella stessa lega senza argento.
Tornando alle leghe al litio, un’efficace rappresentazione della differenza tra leghe al litio di nuova generazione e le leghe tradizionali con caratteristiche meccaniche maggiori, cioè le 7xxx o le 2xxx senza litio, è mostrata da Constellium, le cui leghe per aeronautica sono raggruppate sotto il brand collettivo Airware®. In Figura 2 sono rappresentate le maggiori differenze di prestazioni tra le leghe Airware® 2196 vs 2024 T3511 e Airware® 2065 vs 7150 T77511.

Conclusioni
La crisi industriale seguita alla crisi finanziaria ha portato a una selezione degli operatori in ogni settore. L’estrusione del settore alluminio non è certo stata esclusa da tale processo che ha cambiato per tutti regole e panorama di sviluppo. Molti estrusori hanno dovuto, ad esempio, spostare in avanti la linea della propria attività rispetto al prodotto finale inserendo nel proprio sistema lavorazioni di assemblaggio e finitura. Questo progresso verso il prodotto finale non riguarda soltanto i grandi gruppi ma anche estrusori di dimensioni ridotte. Chi fornisce nel ferroviario o nell’automotive non si ferma ai semilavorati estrusi, ma fornisce strutture ottenute dall’assemblaggio di diversi prodotti estrusi ed anche di semilavorati non provenienti dal processo di estrusione. Se si intende essere fornitori di settori di alta tecnologia e di grandi numeri quali aeronautica e automotive, non si può evitare il pieno coinvolgimento nella ricerca della massima efficienza nella prestazione sia in termini di tecnologia sia nel processo di controllo e riduzione continua dei costi. A questi processi si può contribuire già in modo significativo attraverso scelte ragionate del materiale di partenza e dei relativi trattamenti termici e meccanici, la ricerca di prestazioni finali idonee parte ovviamente a monte del processo di estrusione e un importante contributo è ottenibile dalla scelta della composizione di lega ottimale per l’utilizzo finale. Seguendo con attenzione i passi e le scelte dei gruppi maggiori, anche un estrusore di medie dimensioni può trovare e definire accuratamente le composizioni di leghe da estrusione più adatte ad aggiungere nel pezzo o nel componente finale le prestazioni su misura per i vari impieghi.

Nella presentazione sono stati riportati alcuni esempi di ottimizzazione delle caratteristiche ottenibili con modifiche e variazioni anche di dettaglio alla combinazione di alliganti e di elementi di addizione, e interventi sui cicli di elaborazione termici-meccanici su semilavorati, soffermando l’attenzione sui seguenti casi:
1. Sviluppo di una lega come variante usualmente più “pura” (7068 come variante della 7075);
2. Possibili varianti della lega 6060 in termini di differenza di estrudibilità;
3. Sviluppo di leghe 6xxx che attraverso trattamenti termomeccanici e il controllo del processo di precipitazione indurente offrono elevate prestazioni di resistenza all’urto e di assorbimento di energia;
4. Sostituzione completa di un elemento (piombo) con un altro (stagno) che abbatte le problematiche ambientali senza intaccare, ma anzi migliorando le prestazioni peculiari (taglio rapido all’utensile);
5. Sviluppo applicativo di una nuova generazione di leghe alto resistenziali (leghe Al-Li) messe a punto per settori di alta tecnologia quali l’aeronautica, ma che superate problematiche di ciclo produttivo possono essere sempre più utilizzate anche per il settore automotive, ad esempio nei particolari forgiati per freni, dove si hanno già esempi nelle applicazioni sportive.

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