Ottimizzazione del processo produttivo di componenti aeronautici in lega al-si

  
 ii
indurimento per microprecipitazione grazie al quale si riesce a 
migliorare le caratteristiche meccaniche delle leghe. 
Mentre le opportunità di mercato sono molto promettenti, 
l’alluminio continua a competere con materiali (magnesio, berillio e 
titanio) che potrebbero offrire costi ancora minori, maggiore 
resistenza, minor peso ed altri vantaggi, ciò spinge le compagnie 
produttrici a rifornire i loro clienti con prodotti sempre innovativi e 
nuove tecnologie che consentono di ottenere materiali di 
caratteristiche superiori e dalle proprietà uniche. 
Per il prossimo ventennio gli investimenti nella ricerca e 
nello sviluppo tecnologico saranno il fattore determinante per la 
competitività dei prodotti, saranno la strada da percorrere per 
raggiungere maggiori livelli di produttività, per espandersi verso 
nuovi mercati, per migliorare le prestazioni ambientali. 
  
 iii
Stato dell’arte  
 
La lega A357 è una lega Al-Si-Mg da fonderia ed allo stato 
attuale è utilizzata per la realizzazione di componenti aeronautici o 
automobilistici da competizione per la sua peculiarità di unire 
buone caratteristiche meccaniche ad un peso molto ridotto del 
componente finito. 
Il notevole impulso che ha avuto l’impiego delle leghe Al-Si 
nella fonderia risale al 1920 quando Pacz scoprì che, introducendo 
nel metallo liquido piccole quantità di elementi alcalini o alcalino-
terrosi, si aveva una completa modifica nell’andamento della 
solidificazione di queste leghe e che ai relativi cambiamenti 
strutturali erano associati sensibili miglioramenti delle 
caratteristiche meccaniche. Il trattamento provoca la scomparsa 
totale dei cristalli di Si primario con formazione di dendriti di 
soluzione solida α (Al), che diventa la prima fase a solidificare, e la 
separazione di un eutettico estremamente fine, globulare anziché 
aghiforme.
[26] 
Da quando Pacz fece la sua scoperta, si sono moltiplicati gli 
studi per cercare di individuare le cause del fenomeno, ma ancora 
oggi le idee non sono del tutto chiare, tuttavia i meccanismi fino ad 
oggi proposti possono esser in quadrati secondo due teorie: 
• La teoria della nucleazione impedita afferma che 
l’introduzione del sodio neutralizza i nuclei che agiscono da 
centri di cristallizzazione del silicio primario; 
• La teoria della crescita impedita afferma invece 
che la presenza del sodio blocca la crescita dei cristalli di Si 
  
 iv
per variazione di tensione superficiale e di velocità di 
diffusione. 
Fino a tempi molto recenti il trattamento di modifica è stato 
eseguito esclusivamente con sodio, introdotto sia come elemento 
allo stato metallico sia mediante miscele contenenti fluoruro di 
sodio (NaF) che, decomponendosi alla temperatura del bagno, cede 
sodio. 
Questo trattamento presenta tuttavia degli inconvenienti quali 
sviluppo di fumi ed elevata ossidabilità del sodio perciò attualmente 
si sta sempre più affermando la tendenza a mettere a punto 
trattamenti alternativi, in particolare trattamenti che non debbano, 
come nel caso del sodio, essere eseguiti sul metallo al momento 
della colata dei getti, ma direttamente sulla lega in pani, e che 
mantengano i loro effetti anche dopo rifusione ed attese prolungate. 
Le ricerche in questo senso hanno condotto alla formulazione e 
successiva commercializzazione di leghe premodificate con Sr e Sb. 
Le prime, in ordine di tempo, sono state le leghe con Sr, mentre 
l’entrata sul mercato delle leghe con Sb è relativamente recente. 
Riguardo all’azione del sodio si può ricordare che, nella 
pratica comune, è utilizzato secondo canoni diversi secondo la lega 
in lavorazione, ad esempio la lega Al-Si9-Mg è modificata sia nel 
caso di colata in terra che di colata in conchiglia, mentre la lega Al-
Si7-Mg solo nel caso di colata in terra con grossi spessori. Questo 
perché alcuni autori affermano che per le leghe al 9-10% di Si la 
modifica dovrebbe, in generale, comportare un incremento nella 
plasticità, sia nel caso di colata in terra che nel caso di colata in 
conchiglia mentre, per leghe aventi una percentuale di silicio di 
circa il 7%, il miglioramento sarebbe limitato solo alla colata in 
  
 v
terra, poiché, in questo caso, la presenza del sodio consente di avere 
comunque, nonostante la bassa velocità di solidificazione, strutture 
sufficientemente fini. 
Per quanto riguarda l’azione dello Sr sulle leghe della classe 
Al-Si-Mg (con Si compreso fra 9 e 7%) si nota la finezza della 
struttura del materiale modificato, caratterizzata da dendriti di 
soluzione solida e da un eutettico molto fine, perfettamente analoga 
a quella ottenibile per modifica con Na come peraltro è analoga 
l’azione sulle caratteristiche meccaniche. 
Ancora si può considerare la modifica con Sb ma solo per 
leghe ipoeutettiche con Si=10%; pur presentando alcune 
caratteristiche positive agli effetti della capacità modificante di tipo 
permanente, in primo luogo per il ridottissimo grado di ossidabilità, 
mostra delle notevoli limitazioni all’impiego in questo senso: prima 
di tutto questo elemento si presta solo per la colata in conchiglia, 
perché, per velocità di solidificazione più basse, tende a provocare 
segregazioni; in secondo luogo, l’evidenza sperimentale mostra che 
il grado di modifica raggiungibile con lo Sb è inferiore a quello 
ottenibile con gli elementi Na e Sr  
Riguardo ai trattamenti termici impiegati per la lega A 357 
quello più impiegato è il Trattamento Haley che consiste in una 
solubilizzazione nella quale si mantiene la lega alla temperatura di 
540°C per 13 ore seguita da tempra in acqua (T4) ed infine da un 
invecchiamento a 160°C per 6 ore (T6) oppure a 160°C per 8 ore 
(T61); la normativa MIL-A-21180D tuttavia prevede degli intervalli 
di temperatura e tempo nell’ambito dei quali è possibile effettuare 
scelte diverse secondo le varie esigenze di produzione, in 
particolare per la solubilizzazione è fornito un range fra 540°C e 
  
 vi
560°C per un tempo compreso fra le 8 e le 20 ore, mentre per 
l’invecchiamento il range è fra 165°C e 175°C per 4-8 ore.  
  
 vii
Scopo della Tesi 
Il processo di produzione per componenti aeronautici in lega 
A 357 (Al-Si-Mg), operato secondo gli standard attuali previsti 
dalla normativa MIL A21180D, porta ad un materiale caratterizzato 
dalle seguenti proprietà: 

σ
R
=310 MPa; 

σ
S
=270 MPa; 

ε%=2; 

HB=110 kg/mm
2
. 
Detto valore di durezza è causa di una eccessiva usura degli 
utensili da lavorazione meccanica, di conseguenza i costi di 
produzione risultano troppo elevati. 
Scopo di questo lavoro è ottimizzare il processo di 
produzione cercando di raggiungere un buon compromesso fra 
durezza, elongazione percentuale e caratteristiche meccaniche, 
mirando in particolare ad ottenere una durezza minore dello 
standard attuale pur mantenendo il carico di rottura ed il carico di 
snervamento a valori adeguati all’impiego della lega in esame. 
Il materiale caratterizzato nel corso della sperimentazione è 
stato sottoposto a monte a due diversi trattamenti metallurgici del 
bagno fuso: materiale 1: modifica e degassaggio, materiale 
2:modifica, affinazione e degassaggio. 
Sono stati selezionati, in un intervallo di temperature (510-
540°C) e di tempi (13-18 ore) tre distinti cicli di solubilizzazione. 
Il ciclo di fonderia + solubilizzazione ottimale è stato 
selezionato sulla base della verifica di durezza (Vickers e Brinell) e 
microstruttura (presenza di precipitati, effetti sulla dimensione del 
grano cristallino) dei campioni trattati. 
  
 viii
Il ruolo della successiva fase di invecchiamento è stato 
inoltre studiato analizzando i risultati di quattro distinti trattamenti 
termici (effettuati nell’intervallo 150-160°C e 4-8 ore) in termini di 
microstruttura, durezza e resistenza meccanica (carico di rottura, 
carico di snervamento ed allungamento percentuale) del materiale 
invecchiato. 
La sperimentazione ha quindi condotto all’individuazione di 
un ciclo termico totale (fonderia + solubilizzazione + 
invecchiamento) in grado di garantire il mantenimento di valori di 
durezza Brinell di circa 100 e di caratteristiche meccaniche 
soddisfacenti (σ
R=
300 MPa; σ
S=
240 MPa;  ε%=3). 
Parallelamente è stato intrapreso anche uno studio della 
durezza superficiale della lega A 357 in funzione della temperatura 
di invecchiamento e del tempo di esposizione in forno, volto ad 
individuare il minimo valore di durezza teoricamente raggiungibile 
per questo materiale, è stato avviato servendosi di metodi di analisi 
statistica e sperimentazione fattoriale in grado di garantire 
l’interpretazione affidabile dei risultati sperimentali minimizzando 
il numero di prove necessarie. La temperatura dell’ultimo ciclo 
termico è stata fatta variare in un intervallo molto più ampio di 
quello normalmente preso in considerazione per i tradizionali 
trattamenti termici di invecchiamento, compreso fra 140°C e 180°C 
ed il tempo da 5½ ore a 7½ ore. I provini utilizzati sono stati 
prodotti con i due trattamenti metallurgici sopra menzionati, 
fissando i parametri di solubilizzazione ai valori standard previsti 
dal trattamento Haley (540°C per 13 ore). 
 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 1
 
 
1.1 Caratteristiche e proprietà generali 
dell’alluminio 
 
La proprietà peculiare dell’alluminio è il basso peso specifico 
(2,70 kg/dm
3)
, pari circa ad un terzo di quello dell’acciaio e delle 
leghe di rame, ciò consente di ottenere leghe d’alluminio con 
rapporto resistenza meccanica/peso superiore anche a quello degli 
acciai ad alta resistenza, possiede inoltre basso potere radiante ed 
elevata riflettività, quest’ultima caratteristica è usata per realizzare 
riflettori per uso fotografico. 
Caratteristica importante dell’alluminio è l’ottima resistenza 
alla corrosione atmosferica, infatti, nonostante il valore fortemente 
negativo del suo potenziale standard, si ricopre di uno strato passivo 
sottilissimo e molto aderente di Al
2
O
3
 per reazione con l’ossigeno 
atmosferico.  
A temperatura ambiente presenta una struttura c.f.c che 
conferisce  ottima lavorabilità poiché offre minore impedimento 
allo spostamento delle dislocazioni rispetto ad altri tipi di reticolo 
ma di contro ha una cattiva saldabilità, ciò è dovuto al fatto che il 
sottile strato di ossido, sempre presente sulla sua superficie, è 
refrattario (fonde a 200 °C) ed ha densità superiore al metallo ed 
inoltre la pellicola solida avvolge le gocce opponendosi alla loro 
unione e lasciando inclusioni. 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 2
A parità di peso, la conducibilità dell’alluminio è circa il 
200% di quella del rame, mentre a parità di volume è il 62%, ciò 
significa che, a parità di conduttanza, i cavi di alluminio pesino 
circa la metà di quelli di rame, questo giustifica l’uso dell’alluminio 
nella quasi totalità dei collegamenti elettrici degli aerei.
[7] 
L’alluminio puro ha un basso carico unitario di rottura, pari 
circa a 91 Mpa, quest’inconveniente può essere agevolmente 
superato mediante rafforzamento da lavorazione a freddo che può 
portare ad avere un alluminio con carico di rottura pari a 167 Mpa. 
Ancora si noti l’eccellente duttilità e malleabilità che lo rende 
facilmente lavorabile a caldo, a freddo e per asportazione di 
truciolo; esso può essere laminato, forgiato, stampato, trafilato, 
martellato ed estruso in qualsivoglia forma, può essere saldato a 
gas, all’arco elettrico e per resistenza, sono disponibili fondenti e 
materiale d’apporto per la saldatura e la brasatura. 
L’alluminio ed i suoi composti non sono in generale tossici; 
l’alluminio è non magnetico ed antiscintilla, le proprietà non 
magnetiche lo rendono utile nelle schermature elettriche, per 
esempio nei contenitori delle barre o di altre apparecchiature 
elettriche. 
Unico vero inconveniente è la bassa temperatura di fusione 
(660°C) che non permette la circolazione di intensità troppo 
elevate, a meno di antieconomici aumenti di sezione del cavo. Il 
basso punto di fusione ne limita inoltre l’utilizzazione già in 
ambienti a temperatura mediamente elevata. Sfruttando quindi le 
qualità corrette dell’alluminio e aumentandone le proprietà 
meccaniche (E=70 Gpa) con alliganti quali il rame, il silicio, il 
magnesio, il manganese, il nichel, lo zinco, ecc. si possono ottenere 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 3
delle leghe il cui impiego come materiale da costruzione, 
soprattutto nel campo aeronautico, è notevolissimo. 
 
1.2 Elementi di lega 
 
L’utilizzo degli elementi di lega può migliorare alcune 
caratteristiche meccaniche dell’alluminio puro, ad esempio si può 
portare il carico di rottura delle leghe semilavorate a circa 300 MPa 
ed a circa 600 MPa quello delle leghe in getto, si può aumentare il 
carico unitario di snervamento e la durezza, si compromette però la 
duttilità. 
L’effetto dei principali elementi di lega aggiunti all’alluminio 
è esaminato nel seguito. 
Rame. E’ il principale elemento di lega dell’alluminio. E’ 
usato fino a tenori del 5.5% nelle leghe semilavorate  e del 10% nei 
getti. Permette l’indurimento per precipitazione di particelle 
coerenti di CuAl
2
. Il rame tende a diminuire il ritiro e la fragilità a 
caldo delle leghe. 
Silicio. E’ il secondo per importanza come elemento di lega; 
è introdotto quasi esclusivamente nei getti nei tenori dall’1 al 12%. 
Migliora la fluidità del bagno e la qualità del getto (porosità e 
tenacità). Accresce la resistenza alla corrosione, la conduttività 
elettrica e termica ed abbassa il coefficiente di espansione termica. 
Magnesio. E’ introdotto nell’alluminio in tenori dall’1 al 
10%. Le leghe sono leggere, possiedono buone proprietà 
meccaniche e sono facilmente lavorabili. Per alti tenori di magnesio 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 4
le leghe sono resistenti alla corrosione in acqua di mare ed in 
soluzioni alcaline. 
Zinco. E’ aggiunto in tenori fino al 5.7%; migliora le 
proprietà meccaniche resistenziali attraverso la formazione di fasi 
intermetalliche dure, per esempio Mg
2
Zn. E’ presente 
congiuntamente ad altri elementi minori come il magnesio ed il 
rame. 
Altri elementi. I principali ulteriori elementi aggiunti 
all’alluminio sono: il manganese ed il cromo, che in piccoli tenori 
migliorano la resistenza alla corrosione, il nichel che accresce la 
resistenza meccanica a caldo, ma abbassa la resistenza alla 
corrosione, il ferro e il rame, in leghe contenenti più del 3% di 
silicio, che annullano la fragilità a caldo, il piombo ed il selenio, 
che migliorano la lavorabilità alle macchine automatiche, il titanio e 
il niobio che tendono infine ad affinare il grano.
[7] 
 
1.3 Classificazione delle leghe di alluminio 
 
Le leghe di alluminio si dividono in leghe da deformazione 
plastica per la produzione di laminati, estrusi e forgiati, e in leghe 
da fonderia per la fabbricazione di getti. 
Per la classificazione delle leghe di alluminio vi sono criteri 
diversi; il più utilizzato è quello della Aluminum Association, che 
prevede per le leghe semilavorate una designazione a 4 cifre; la 
prima cifra individua la famiglia di leghe, la seconda le eventuali 
varianti rispetto alla lega originaria alla quale è riservata la cifra 0, 
le ultime due indicano infine nella serie 1XXX il grado di purezza 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 5
dell’alluminio (ad esempio 1050 è un’alluminio 99,50%) e in tutte 
le altre serie le due ultime cifre servono per individuare le singole 
leghe all’interno del gruppo. 
Tabella 1-1. 
 
Le leghe da getto utilizzano un sistema di designazione 
costituito da un simbolo base seguito da quattro indici numerici, i 
primi tre consecutivi (senza diretta correlazione con la 
composizione chimica), il quarto separato; il primo numero indica 
la famiglia di leghe secondo la tabella 4.2, il secondo ed il terzo 
identificano le leghe e l’ultimo numero, separato dal gruppo e 
preceduto da un punto, indica la forma della lega, vale a dire pane 
oppure getto. 
Principale elemento di lega Classe secondo la Aluminum 
Association 
Alluminio (magg. 99,00%) 1XXX 
Rame 2XXX
Manganese 3XXX
Silicio 4XXX
Magnesio 5XXX 
Magnesio e Silicio 6XXX 
Zinco 7XXX
Altri elementi 8XXX 
Serie inusuali 9XXX 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 6
 
Principale elemento Classe secondo la 
Di lega Aluminum Association 
Alluminio (magg. 99,00%) 1XX.X 
Rame 2XX.X
Silicio, con aggiunta rame e/o 
magnesio 
3XX.X 
Silicio 4XX.X
Magnesio 5XX.X
Zinco 7XX.X 
Stagno 8XX.X
Altri elementi 9XX.X 
Serie inusuali 6XX.X 
Tabella 1-2:designazione delle leghe d’alluminio per getti 
 
1.3.1 Leghe per deformazione plastica 
 
Tali leghe possono essere suddivise in due classi: 
• Leghe che non possono essere trattate termicamente; 
• Leghe che possono essere trattate termicamente; 
 
1.3.1.1 Leghe che non possono essere trattate termicamente 
 
Queste leghe non possono essere indurite per precipitazione 
ma, per aumentare la loro resistenza, possono essere solamente 
deformate a freddo. Le tre principali classi di leghe d’alluminio per 
deformazione plastica che non possono subire trattamenti termici 
sono le classi 1xxx, 3xxx e 5xxx. La tabella 1.3 elenca la 
composizione chimica, le tipiche proprietà meccaniche e le 
Capitolo 1 
L’alluminio e le sue leghe 
 
 7
principali applicazioni di alcune leghe d’alluminio per 
deformazione plastica di rilevanza industriale.
[9] 
Tabella 1-3: Composizione chimica, proprietà meccaniche e applicazioni 
tipiche di leghe da deformazione plastica 
Lega Elementi Trattame
nto 
C. di 
rottura 
C. di 
snerv. 
Allungame
nto 
Applicazioni  
tipiche 
 
(% in peso) 
*1
 Termico
2
 (MPa) (MPa) (%) 
 
1100 99,0 min Al 0 89 24 25 Lamierino da 
stampaggio, 
 0,12 Cu H14 124 97 4 Calettature. 
3003 1,2 Mn 0 117 34 23 Recipienti in pressione, 
  H14 159 159 17 Apparecchiature 
chimiche. 
5052 2,5 Mg 0 193 65 18 Autobus ed autocarri, 
tubi 
 0,25 Cr H34 262 179 4 Idraulici, impianti marini. 
2024 4,4 Cu, 1,5 Mg 0 220 97 12 Strutture aeronautiche 
 0,6 Mn T6 442 345 5  
6061 1,0 Mg, 0,6 Si 0 152 82 16 Strutture marine, 
tubazioni 
 0,27 Cu, 0,2 
Cr 
T6 290 241 10 Autocarri e ringhiere 
7075 5,6 Zn, 2,5 Mg 0 276 145 10 Aerei ed altre strutture 
 1,6 Cu, 0,23 
Cr  
T6 504 428 8  
1: bilanciamento in alluminio. 
2: 0=ricotto; H14=solo incrudito per deformazione; H34=incrudito per 
deformazione e stabilizzato; T5=ricotto e invecchiato artificialmente; 
T6=temprato e invecchiato artificialmente. 
 
• Leghe 1xxx. Queste leghe hanno una percentuale 
d’alluminio di almeno il 99%. Gli altri elementi presenti 
sono principalmente ferro, silicio e piccole aggiunte di 
rame per incrementare la resistenza meccanica.